Outra descoberta inovadora de Universidade de Nagoya's seis vencedores do Prêmio Nobel olha para trás em partes do espaço mais longe do que nunca. Em colaboração com o Universidade de Tóquio e Princeton University, os pesquisadores revelaram como observaram a formação de matéria escura em torno de galáxias há 12 bilhões de anos, usando resíduos de radiação do Big Bang.
Pode ser um desafio ver eventos que aconteceram há tanto tempo. Devido à velocidade limitada da luz, a equipe observou galáxias distantes em sua história pré-bilhões de anos, em vez de seu estado atual. Observar a matéria escura, que não produz luz, é ainda mais desafiador.
Considere uma galáxia fonte distante que é ainda mais remota do que a galáxia alvo para estudar sua matéria escura. Como previsto por Teoria da relatividade geral de Einstein, a atração gravitacional da galáxia em primeiro plano, incluindo sua matéria escura, distorce o entorno espaço e tempo. A forma aparente da galáxia é alterada como resultado da curvatura da luz da galáxia fonte ao passar pela distorção. A distorção aumenta com a quantidade de matéria escura. Por causa da distorção, os pesquisadores podem calcular a quantidade de matéria escura nas proximidades da galáxia em primeiro plano (também conhecida como a galáxia “lente”).
Além de um certo ponto, surge um problema: as galáxias são extremamente fracas nos confins do universo. Como resultado, essa estratégia fica menos bem-sucedida à medida que olhamos mais longe da Terra. Deve haver muitas galáxias de fundo para identificar o sinal porque a distorção da lente é tipicamente modesta e difícil de detectar.
A maioria dos estudos estão presos nos mesmos limites. Além de serem incapazes de identificar galáxias de origem distantes o suficiente para medir a distorção, os cientistas só puderam analisar a matéria escura de não mais de 8 a 10 bilhões de anos atrás.
Essas limitações deixaram em aberto a questão da distribuição da matéria escura entre esta época e 13.7 bilhões de anos atrás, em torno do início do nosso universo.
Os pesquisadores deste estudo contornam esse problema usando dados das observações Subaru Hyper Supreme-Cam Survey (HSC). Eles poderiam detectar 1.5 milhão de galáxias de lentes usando luz visível, selecionadas para serem vistas 12 bilhões de anos atrás.
Em seguida, eles usaram microondas da fundo cósmico de microondas (CMB) para resolver a falta de luz de galáxias mais distantes. Eles usaram especialmente as micro-ondas observadas pelo satélite Planck da Agência Espacial Européia para quantificar a matéria escura ao redor das galáxias de lentes distorcidas pelas micro-ondas.
O professor Masami Ouchi da Universidade de Tóquio disse: “Olhe para a matéria escura em torno de galáxias distantes? Foi uma ideia maluca. Ninguém percebeu que poderíamos fazer isso. Mas depois que falei sobre uma grande amostra de galáxias distantes, Hironao veio até mim e disse que pode ser possível observar a matéria escura ao redor dessas galáxias com o CMB.”
O professor assistente Yuichi Harikane, do Institute for Cosmic Ray Research, da Universidade de Tóquio, disse: “A maioria dos pesquisadores usa galáxias de origem para medir a distribuição da matéria escura desde o presente até oito bilhões de anos atrás. No entanto, podemos olhar mais para o passado porque usamos o CMB mais distante para medir a matéria escura. Pela primeira vez, medimos a matéria escura quase desde os primeiros momentos do universo.”
Após uma análise preliminar, os pesquisadores logo perceberam que tinham uma amostra grande o suficiente para detectar a distribuição da matéria escura. Combinando a grande amostra de galáxias distantes e as distorções de lente no CMB, eles detectaram matéria escura ainda mais atrás no tempo, de 12 bilhões de anos atrás. Isso é apenas 1.7 bilhão de anos após a começo do universo; assim, essas galáxias são vistas logo após terem se formado.
O professor assistente designado pela KMI, Hironao Miyatake, disse: “Fiquei feliz que abrimos uma nova janela para aquela era. 12 bilhões de anos atrás, as coisas eram muito diferentes. Você vê mais galáxias no processo de formação do que atualmente; os primeiros aglomerados de galáxias também estão começando a se formar. Aglomerados de galáxias compreendem 100-1000 galáxias ligadas pela gravidade com grandes quantidades de matéria escura.”
Neta Bahcall, professor de astronomia Eugene Higgins, professor de ciências astrofísicas e diretor de estudos de graduação da Universidade de Princeton, disse: “Esse resultado dá um resultado muito consistente imagem de galáxias e sua evolução, bem como a matéria escura dentro e ao redor das galáxias, e como essa imagem evolui com o tempo.”
Uma das descobertas mais empolgantes dos pesquisadores foi relacionada à aglomeração da matéria escura. De acordo com a teoria padrão da cosmologia, o modelo Lambda-CDM, flutuações sutis na CMB formam pools de matéria densamente compactada, atraindo a matéria circundante através gravidade. Isso cria aglomerados não homogêneos que formam estrelas e galáxias nessas regiões densas. As descobertas do grupo sugerem que sua medição de clumpiness foi menor do que o previsto pelo modelo Lambda-CDM.
Miyatake disse, “Nossa descoberta ainda é incerta. Mas se for verdade, isso sugeriria que todo o modelo é falho à medida que você volta no tempo. Isso é empolgante porque, se o resultado se mantiver após a redução das incertezas, pode sugerir uma melhoria do modelo que pode fornecer informações sobre a natureza da própria matéria escura”.
Andrés Plazas Malagón, pesquisador associado da Universidade de Princeton, disse: “Neste ponto, tentaremos obter dados melhores para ver se o modelo Lambda-CDM pode explicar nossas observações no universo. E a consequência pode ser que precisamos revisitar as suposições que entraram nesse modelo.”
Michael Strauss, professor e presidente do Departamento de Ciências Astrofísicas da Universidade de Princeton, disse: “Um dos pontos fortes de olhar para o universo usando levantamentos de grande escala, como os usados nesta pesquisa, é que você pode estudar tudo o que vê nas imagens resultantes, de asteróides em nosso sistema solar às galáxias mais distantes do universo primitivo. Você pode usar os mesmos dados para explorar muitas novas questões.”
Jornal de referência:
- Hironao Miyatake, Yuichi Harikane, et al. Primeira Identificação de um Sinal de Lente CMB Produzido por 1.5 Milhões de Galáxias em z∼4: Restrições nas Flutuações de Densidade da Matéria em Alto Redshift. Física Rev. Lett. 129, 061301 – Publicado em 1º de agosto de 2022. DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.061301
