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Dark Energy Survey: Supernovas revelam insights únicos sobre a expansão do universo
Cientistas que trabalham no Dark Energy Survey (DES), incluindo o astrofísico do Observatório Nacional (ON/MCTI), Ricardo Ogando, divulgaram os resultados de um estudo sobre a expansão acelerada do universo e os mistérios da energia escura usando supernovas tipo Ia. Eles confirmaram sua existência com uma precisão sem precedentes com a técnica de supernovas. As medidas indicam que a energia escura pode ser algo mais complexo que uma constante cosmológica.
O trabalho, apresentado na 243ª reunião do American Astronomical Society em 8 de janeiro e submetido para publicação no Astrophysical Journal, revelou resultados que ajudam a compreender a natureza da energia escura e medir a taxa de expansão do universo.
Em 1998, astrofísicos descobriram que o universo está se expandindo em um ritmo acelerado e esse movimento é atribuído a energia escura, forma hipotética de energia que compõe cerca de 70% do nosso universo. Essa descoberta revolucionária foi viabilizada pela observação de cerca de 50 supernovas tipo Ia, e foi reconhecida mais tarde com o Prêmio Nobel de Física em 2011.
Energia Escura existe, mas será uma constante cosmológica?
Agora, 25 anos após a descoberta inicial, os pesquisadores do DES divulgaram os resultados de uma análise sem precedentes usando o mesmo tipo de objetos usado em 1998 (as supernovas Ia) para investigar ainda mais os mistérios da energia escura e da expansão do universo.
O estudo intitulado “The Dark Energy Survey: Cosmology results with ~1500 new high-redshift type Ia supernovae using the full 5-year dataset” encontrou resultados que são consistentes com o modelo cosmológico padrão de um universo com uma expansão acelerada. No entanto, os pesquisadores ressaltam que as medidas não são definitivas o suficiente para descartar um modelo possivelmente mais complexo.
O Dark Energy Survey é uma colaboração internacional que compreende mais de 400 astrofísicos, astrônomos e cosmólogos de mais de 25 instituições, incluindo o Observatório Nacional.
"É incrível testemunhar o auge das análises de explosões cósmicas como as supernovas quase 10 anos depois do início das observações", diz o astrofísico do ON, Ricardo Ogando. Ele conta que o ON participa do DES desde suas primeiras fases. "Dentre vários papéis, eu observei e coordenei missões de observação de verificação científica em 2012 e do primeiro ano de operações em 2013, inclusive vendo as explosões de fogos de artifícios nas cidades no entorno da montanha no Chile no réveillon daquele ano."
De acordo com Ogando, o resultado atual é o fruto do trabalho intenso de um time enorme que ajudou a formar novas gerações de astrofísicos e levar o entendimento do universo a um novo patamar.
Um exemplo de supernova descoberta pelo Dark Energy Survey
O que se sabe sobre a energia escura com os novos resultados do DES
No estudo em questão, o DES mapeou uma área de quase um oitavo de todo o céu usando a Dark Energy Camera, uma câmera digital de 570 megapixels construída pelo Fermilab (Fermi National Accelerator Laboratory). A câmera foi instalada no Telescópio Víctor M. Blanco de quatro metros no Observatório Interamericano Cerro Tololo. Os cientistas do DES coletaram dados de 758 noites ao longo de seis anos.
Nas análises cosmológicas, os cientistas do DES utilizaram quatro técnicas diferentes, incluindo a técnica de supernova usada em 1998. Esta técnica requer dados de supernovas do tipo Ia, que ocorrem quando uma estrela morta extremamente densa, conhecida como anã branca, atinge uma massa crítica e explode.
Como a massa crítica é quase a mesma para todas as anãs brancas, todas as supernovas do tipo Ia têm aproximadamente o mesmo brilho intrínseco e quaisquer variações restantes podem ser calibradas. Assim, quando os astrofísicos comparam o brilho aparente de duas supernovas do tipo Ia vistas da Terra, podem determinar as suas distâncias relativas a nós.
Para cada supernova analisada, os pesquisadores combinaram a sua distância com uma medição do seu redshift (desvio para o vermelho), que corresponde à rapidez com que a supernova, e sua galáxia hospedeira, se afasta da Terra devido à expansão do Universo. Assim, os cientistas podem usar esse histórico para determinar se a densidade da energia escura permaneceu constante ou mudou ao longo do tempo.
“À medida que o universo se expande, a densidade da matéria diminui”, disse o diretor e porta-voz do DES, Rich Kron, que é cientista do Fermilab e da Universidade de Chicago. “Mas se a densidade da energia escura for constante, isso significa que a proporção total de energia escura deve aumentar à medida que o volume aumenta.”
Modelo cosmológico padrão
O modelo cosmológico padrão, ou ΛCDM, consiste em um modelo que considera a densidade da energia escura como constante ao longo do tempo cósmico. Isso significa que a densidade não se dilui à medida que o universo se expande.
Esse modelo cosmológico explica como o universo evolui usando apenas algumas características, como a densidade da matéria, o tipo de matéria e o comportamento da energia escura.
O método de supernovas usado pelo DES mede muito bem duas dessas características: a densidade da matéria e uma quantidade chamada “w”, que indica se a densidade da energia escura é constante ou não. Se “w” for igual a –1, significa que a densidade da energia escura no universo é constante.
No estudo, usando apenas supernovas, os cientistas do DES encontraram w = – 0,80 com uma variação de +/- 0,18. Combinado com dados complementares do telescópio Planck, que observa a radiação cósmica de fundo,, w atinge –1 dentro das margens de erro, indicando a constância da densidade da energia escura.
“Tentadoramente, w não é exatamente em –1, mas próximo o suficiente para ser consistente com –1”, disse Tamara Davis da Universidade de Queensland na Australia. “Um modelo mais complexo pode ser necessário. A energia escura pode realmente variar com o tempo.”
Para chegar a uma conclusão definitiva, os cientistas precisarão de mais dados. Mas o DES não será capaz de fornecer isso. Afinal, a pesquisa parou de coletar dados em janeiro de 2019.
De qualquer forma, esta análise final de supernovas Ia do DES trouxe muitas melhorias em relação ao primeiro resultado de supernova, lançado em 2018, que usou apenas 207 supernovas e três anos de dados. Além disso, o novo estudo é pioneiro em uma nova abordagem de uso da fotometria para encontrar supernovas, classificá-las e medir suas curvas de luz. A utilização de quatro filtros (g, r, i e z, algo sem precedentes) permitiu obter dados mais precisos do que os de levantamentos anteriores, que utilizaram apenas um ou dois filtros, e representa um grande avanço em comparação com as amostras de supernovas vencedoras do Nobel.
Este diagrama mostra o sistema de filtros instalado na Dark Energy Camera usada pelo DES para descobrir supernovas e monitorar a evolução de seu brilho. Crédito: colaboração DES
Os pesquisadores do DES também usaram técnicas avançadas de aprendizado de máquina (inteligência artificial) para ajudar na classificação de supernovas. Entre os dados de cerca de 2 milhões de galáxias distantes observadas, o DES encontrou vários milhares de supernovas.
No final das contas, os cientistas usaram 1.499 supernovas do tipo Ia com dados de alta qualidade, tornando-a a maior e mais profunda amostra de supernova já compilada por um único telescópio. Em 1998, os astrônomos vencedores do Nobel utilizaram apenas 52 supernovas para determinar que o Universo se está a expandir a um ritmo acelerado.
No entanto, os pesquisadores ressaltaram que existem pequenas desvantagens da nova abordagem fotométrica em comparação com a espectroscopia: como as supernovas não possuem espectros, há maior incerteza na classificação. Contudo, o tamanho da amostra muito maior, possibilitado pela abordagem fotométrica, mais do que compensa essa desvantagem.
As técnicas inovadoras utilizadas pelo DES irão moldar e impulsionar futuras análises astrofísicas. Projetos como o LSST do Observatório Vera Rubin e o Telescópio Espacial Nancy Grace Roman da NASA continuarão de onde o DES parou.
“Este novo resultado de supernovas é emocionante porque significa que podemos realmente amarrar um laço nele e entregá-lo à comunidade e dizer: 'Esta é a nossa melhor tentativa de explicar como o universo funciona'”, disse Dillon Brout, professor assistente da Universidade de Boston que coliderou a análise cosmológica da amostra de supernovas.
Essa deve virar a amostra de referência para a comunidade científica nos próximos anos quando se falar em Supernovas tipo Ia.
- Link para o artigo: [2401.02929] The Dark Energy Survey: Cosmology Results With ~1500 New High-redshift Type Ia Supernovae Using The Full 5-year Dataset