Raios X recentes revelam um universo tão desajeitado quanto a cosmologia prevê | Revista Quanta

Aglomerados de centenas ou milhares de galáxias ficam nas interseções de filamentos gigantes e entrecruzados de matéria que formam a tapeçaria do cosmos. À medida que a gravidade puxa tudo em cada aglomerado de galáxias em direção ao seu centro, o gás que preenche o espaço entre as galáxias é comprimido, fazendo com que aqueça e brilhe em raios X.

O telescópio de raios X eRosita, lançado ao espaço em 2019, passou mais de dois anos a recolher sinais de luz de alta energia de todo o céu. Os dados permitiram aos cientistas mapear as localizações e tamanhos de milhares de aglomerados de galáxias, dois terços deles até então desconhecidos. Em uma série de papéis postado on-line em 14 de fevereiro que aparecerá na revista Astronomia e Astrofísica, os cientistas usaram o seu catálogo inicial de aglomerados para avaliar várias das grandes questões da cosmologia.

Os resultados incluem novas estimativas da aglomeração do cosmos – uma característica muito discutida ultimamente, tal como outras medições recentes descobriram que é inesperadamente suave - e das massas de partículas fantasmagóricas chamadas neutrinos e de uma propriedade chave da energia escura, a misteriosa energia repulsiva que está a acelerar a expansão do Universo.

O modelo atual do universo dos cosmólogos identifica a energia escura como a energia do próprio espaço e atribui-a a 70% do conteúdo do universo. Mais um quarto do universo é matéria escura invisível e 5% é matéria comum e radiação. Tudo isso está evoluindo sob a força da gravidade. Mas algumas observações da última década desafiam este “modelo padrão” de cosmologia, levantando a possibilidade de faltarem ao modelo ingredientes ou efeitos que poderiam conduzir a uma compreensão mais profunda.

As observações da eRosita, por outro lado, reforçam o quadro existente em todos os aspectos. “É uma confirmação notável do modelo padrão”, disse Dragan Huterer, um cosmólogo da Universidade de Michigan que não esteve envolvido no trabalho.

Radiografando o Cosmos

Após o Big Bang, variações sutis de densidade no universo recém-nascido tornaram-se gradualmente mais pronunciadas à medida que as partículas de matéria se aglomeravam umas nas outras. Os aglomerados mais densos atraíram mais material e ficaram maiores. Hoje, os aglomerados de galáxias são as maiores estruturas ligadas gravitacionalmente no cosmos. Determinar seus tamanhos e distribuição permite aos cosmólogos testar seu modelo de como o universo evoluiu.

Para encontrar aglomerados, a equipe da eRosita treinou um algoritmo de computador para procurar fontes de raios X “realmente fofas”, em oposição a objetos pontiagudos, disse Esra Bulbul do Instituto Max Planck de Física Extraterrestre em Garching, Alemanha, que liderou as observações do aglomerado da eRosita. Eles reduziram uma lista de candidatos a uma “amostra extremamente pura”, disse ela, de 5,259 aglomerados de galáxias, dentre as quase 1 milhão de fontes de raios X que o telescópio detectou.

Eles então tiveram que descobrir o quão pesados ​​​​são esses aglomerados. Objetos massivos dobram a estrutura do espaço-tempo, mudando a direção da passagem da luz e fazendo com que a fonte da luz pareça distorcida – um fenômeno chamado lente gravitacional. Os cientistas do eRosita conseguiram calcular as massas de alguns dos seus 5,259 aglomerados com base nas lentes de galáxias mais distantes situadas atrás deles. Embora apenas um terço dos seus aglomerados tivesse galáxias de fundo conhecidas alinhadas desta forma, os cientistas descobriram que a massa do aglomerado estava fortemente correlacionada com o brilho dos seus raios-X. Devido a esta forte correlação, eles puderam usar o brilho para estimar as massas dos aglomerados restantes.

Eles então alimentaram as informações de massa em simulações computacionais do cosmos em evolução para inferir os valores dos parâmetros cósmicos.

Medindo a aglomeração

Um número de interesse é o “fator aglomerado” do universo, S₈. Um S₈ o valor zero representaria um vasto nada cósmico, semelhante a uma planície sem nenhuma rocha à vista. Um S₈ um valor mais próximo de 1 corresponde a montanhas íngremes que se erguem sobre vales profundos. Os cientistas estimaram S₈ com base em medições da radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB) – luz antiga vinda do universo primitivo. Extrapolando a partir das variações iniciais de densidade do cosmos, os pesquisadores esperam que a atual S₈ valor será 0.83.

BUT estudos recentes olhar para as galáxias hoje tem valores medidos 8% a 10% mais baixos, o que implica que o universo é inesperadamente suave. Essa discrepância intrigou os cosmólogos, apontando potencialmente para fissuras no modelo cosmológico padrão.

A equipe da eRosita, entretanto, não encontrou tal discrepância. “Nosso resultado ficou basicamente alinhado com a previsão inicial, da CMB”, disse Vittorio Ghirardini, que liderou a análise. Ele e seus colegas calcularam um S₈ de 0.85.

Alguns membros da equipe ficaram desapontados, disse Ghirardini, já que sugerir a falta de ingredientes era uma perspectiva mais interessante do que corresponder à teoria conhecida.

O S₈ um valor um pouco maior do que a estimativa do CMB provavelmente desencadeará mais análises de outras equipes, disse Gerrit Schellenberger, um astrofísico que estuda aglomerados de galáxias no Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. “Acredito que provavelmente não seja o último artigo que vimos sobre esse assunto.”

Pesando Neutrinos

Copiosos neutrinos formados no universo primitivo – quase tantos quanto fótons (partículas de luz), disse Marilene Loverde, cosmólogo da Universidade de Washington. Mas os físicos sabem que os neutrinos, ao contrário dos fótons, deve ter pequenas massas por causa de como eles oscilam entre três tipos. As partículas não adquirem massa através do mesmo mecanismo que outras partículas elementares, por isso a sua massa é um mistério muito estudado. E a primeira questão é quão massivos eles realmente são.

Os cosmólogos podem estimar a massa dos neutrinos estudando seus efeitos na estrutura do cosmos. Os neutrinos voam quase à velocidade da luz e passam através de outra matéria, em vez de se fixarem nela. Portanto, a sua presença no cosmos atenuou a sua aglomeração. “Quanto mais massa você coloca nos neutrinos, mais massa é lisa nessas escalas [grandes]”, disse Loverde.

Combinando as medições dos aglomerados de galáxias com as medições da CMB, a equipe do eRosita estimou que a soma das massas dos três tipos de neutrinos não é superior a 0.11 elétron-volts (eV), ou menos de um milionésimo da massa de um elétron. Outros experimentos com neutrinos estabeleceu um limite inferior, mostrando que as massas dos três neutrinos devem somar pelo menos 0.06 eV (para uma possível ordenação dos três valores de massa) ou 0.1 eV (para a ordem invertida). À medida que a distância entre os limites superior e inferior diminui, os cientistas estão cada vez mais perto de identificar o valor da massa do neutrino. “Na verdade, estamos à beira de fazer um avanço”, disse Bulbul. Em publicações de dados subsequentes, a equipe da eRosita poderia reduzir o limite superior o suficiente para descartar os modelos de massa de neutrinos de ordem invertida.

Cuidado é garantido. Quaisquer outras partículas leves e rápidas que possam existir - como eixos, partículas hipotéticas propostas como candidatas à matéria escura — teriam os mesmos efeitos na formação de estruturas. E introduziriam erros na medição da massa dos neutrinos.

Rastreando a energia escura

As medições dos aglomerados de galáxias podem revelar não apenas como as estruturas cresceram, mas também como o seu crescimento foi impedido pela energia escura — o fino brilho de energia repulsiva que permeia o espaço, acelerando a expansão do espaço e, assim, separando a matéria.

Se a energia escura for a energia do próprio espaço, como assume o modelo padrão da cosmologia, então ela terá uma densidade constante no espaço e no tempo (é por isso que às vezes é chamada de constante cosmológica). Mas se a sua densidade estiver diminuindo com o tempo, então é algo completamente diferente. “Essa é a maior questão que a cosmologia tem”, disse Sebastian Grandis, membro da equipe eRosita da Universidade de Innsbruck, na Áustria.

A partir do seu mapa de milhares de aglomerados, os investigadores descobriram que a energia escura corresponde ao perfil de uma constante cosmológica, embora a sua medição tenha uma incerteza de 10%, pelo que uma densidade de energia escura ligeiramente variável permanece possível.

Originalmente, o eRosita, que fica a bordo de uma nave espacial russa, deveria realizar oito pesquisas de céu completo, mas em fevereiro de 2022, semanas depois de o telescópio ter iniciado a sua quinta pesquisa, a Rússia invadiu a Ucrânia. Em resposta, o lado alemão da colaboração, que opera e dirige a eRosita, colocou o telescópio em modo de segurança, cessando todas as observações científicas.

Esses artigos iniciais baseiam-se apenas nos primeiros seis meses de dados. O grupo alemão espera encontrar cerca de quatro vezes mais aglomerados de galáxias nos 1.5 anos adicionais de observações, o que permitirá que todos estes parâmetros cosmológicos sejam identificados com mais precisão. “A cosmologia de cluster pode ser a sonda mais sensível da cosmologia além da CMB”, disse Anja von der Linden, astrofísico da Stony Brook University.

Os seus resultados iniciais demonstram o poder de uma fonte de informação relativamente inexplorada. “Somos uma espécie de novato no bairro”, disse Grandis.