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Um estudo transformador analisou mais de um milhão de galáxias para explorar as origens da estrutura cósmica, revelando alinhamentos significativos nas formas das galáxias ao longo de vastas distâncias. Esta pesquisa, utilizando métodos inovadores e confirmando aspectos da teoria da inflação, marca um avanço significativo na compreensão da formação do universo.
Uma equipe de pesquisadores analisou mais de um milhão de galáxias para explorar a origem das estruturas cósmicas atuais, relata um estudo recente publicado no Revisão Física D como sugestão dos editores.
Até hoje, observações e análises precisas da radiação cósmica de fundo (CMB) e da estrutura em grande escala (LSS) levaram ao estabelecimento da estrutura padrão do universo, o chamado modelo ΛCDM, onde a matéria escura fria (CDM) e a energia escura (a constante cosmológica, Λ) são características significativas.
Uma imagem obtida a partir de observações da estrutura em grande escala do universo. Os numerosos objetos mostrados em amarelo a vermelho representam galáxias a centenas de milhões de anos-luz de distância da Terra. As galáxias vêm em uma grande variedade de cores e formas e são numerosas demais para serem contadas na vastidão do espaço. A distribuição espacial e o padrão de forma destas galáxias não são aleatórios, mas na verdade têm “correlações” originadas de propriedades estatísticas das flutuações primordiais iniciais, conforme previsto pela inflação. Crédito: Subaru HSC
Este modelo sugere que as flutuações primordiais foram geradas no início do universo, ou no início do universo, que atuaram como gatilhos, levando à criação de todas as coisas no universo, incluindo estrelas, galáxias, aglomerados de galáxias e sua distribuição espacial em todo o espaço. . Embora sejam muito pequenas quando geradas, as flutuações aumentam com o tempo devido à força de atração gravitacional, formando eventualmente uma região densa de matéria escura, ou um halo. Então, diferentes halos colidiram repetidamente e se fundiram uns com os outros, levando à formação de objetos celestes, como galáxias.
Distribuições Galácticas e Flutuações Primordiais
Uma vez que a natureza da distribuição espacial das galáxias é fortemente influenciada pela natureza das flutuações primordiais que as criaram, análises estatísticas das distribuições das galáxias têm sido ativamente conduzidas para explorar observacionalmente a natureza das flutuações primordiais. Além disso, o padrão espacial das formas das galáxias distribuídas por uma ampla área do universo também reflete a natureza das flutuações primordiais subjacentes.
No entanto, a análise convencional da estrutura em grande escala concentrou-se apenas na distribuição espacial das galáxias como pontos. Mais recentemente, os investigadores começaram a estudar as formas das galáxias, porque não só fornecem informações adicionais, mas também proporcionam uma perspectiva diferente sobre a natureza das flutuações primordiais.
Visualização de como as “diferentes” flutuações primordiais do universo levam à diferente distribuição espacial da matéria escura. A figura central (comum às linhas superior e inferior) mostra as flutuações na distribuição gaussiana de referência. A gradação da cor (azul a amarelo) corresponde ao valor da flutuação naquele local (regiões de baixa a alta densidade). As figuras da esquerda e da direita mostram flutuações que se desviam ligeiramente da distribuição gaussiana ou não são gaussianas. O sinal entre parênteses indica o sinal do desvio da Gaussianidade, correspondendo a um desvio negativo (-) à esquerda e a um desvio positivo (+) à direita. A linha superior é um exemplo de não gaussianidade isotrópica. Em comparação com a flutuação gaussiana central, a figura da esquerda mostra um aumento nas grandes regiões negativas (azul escuro), enquanto a figura da direita mostra um aumento nas grandes regiões positivas (amarelo brilhante). Sabe-se que podemos buscar essa não-gaussianidade isotrópica usando a distribuição espacial das galáxias observadas. O painel inferior mostra um exemplo de não gaussianidade anisotrópica. Em comparação com o caso isotrópico no painel superior, o brilho e a escuridão gerais permanecem inalterados em relação à flutuação gaussiana no painel central, mas a forma de cada região mudou. Podemos procurar essa não-gaussianidade “anisotrópica” a partir do padrão espacial das formas das galáxias. Crédito: Kurita & Takada
Uma equipe de pesquisadores, liderada pelo então estudante de graduação do Instituto Kavli de Física e Matemática do Universo (Kavli IPMU), Toshiki Kurita (atualmente pesquisador de pós-doutorado no Instituto Max Planck de Astrofísica), e pelo professor do Kavli IPMU, Masahiro Takada desenvolveu um método para medir o espectro de potência das formas de galáxias, que extrai informações estatísticas importantes dos padrões de formas de galáxias, combinando os dados espectroscópicos de distribuição espacial de galáxias e dados de imagem de formas de galáxias individuais.
Análise abrangente e descobertas significativas
Os investigadores analisaram simultaneamente a distribuição espacial e o padrão de forma de aproximadamente um milhão de galáxias do Sloan Digital Sky Survey (SDSS), o maior levantamento mundial de galáxias actualmente.
Como resultado, eles restringiram com sucesso as propriedades estatísticas das flutuações primordiais que semearam a formação da estrutura de todo o universo.
Os pontos azuis e as barras de erro são os valores do espectro de potência do formato da galáxia. O eixo vertical corresponde à força da correlação entre duas formas de galáxias, ou seja, o alinhamento das orientações das formas de galáxias. O eixo horizontal representa a distância entre duas galáxias, com o eixo esquerdo (direito) representando a correlação entre galáxias mais distantes (mais próximas). Os pontos cinza indicam correlações aparentes não físicas. O facto deste valor ser zero dentro do erro, como esperado, confirma que os pontos azuis medidos são de facto sinais de origem astrofísica. A curva preta é a curva teórica do modelo inflacionário mais padrão e está em boa concordância com os dados reais. Crédito: Kurita e Takada
Eles encontraram um alinhamento estatisticamente significativo das orientações das formas de duas galáxias separadas por mais de 100 milhões de anos-luz. O resultado mostrou que existem correlações entre galáxias distantes cujos processos de formação são aparentemente independentes e causalmente não relacionados.
“Nesta pesquisa, conseguimos impor restrições às propriedades das flutuações primordiais através da análise estatística das ‘formas’ de numerosas galáxias obtidas a partir de dados estruturais em grande escala. Existem poucos precedentes para pesquisas que utilizam formas de galáxias para explorar a física do universo primitivo, e o processo de pesquisa, desde a construção da ideia e desenvolvimento de métodos de análise até a análise real dos dados, foi uma série de tentativas e erros. Por conta disso, enfrentei muitos desafios. Mas estou feliz por ter conseguido realizá-los durante meu programa de doutorado. Acredito que esta conquista será o primeiro passo para abrir um novo campo de pesquisa em cosmologia usando formas de galáxias”, disse Kurita.
Além disso, uma investigação detalhada destas correlações confirmou que são consistentes com as correlações previstas pela inflação e não apresentam uma característica não gaussiana da flutuação primordial.
“Esta pesquisa é resultado da tese de doutorado de Toshiki. É uma conquista maravilhosa de pesquisa em que desenvolvemos um método para validar um modelo cosmológico usando formatos e distribuições de galáxias, aplicamos isso aos dados e depois testamos a física da inflação. Era um tema de pesquisa que ninguém havia feito antes, mas ele realizou todas as três etapas: teoria, medição e aplicação. Parabéns! Estou muito orgulhoso do fato de termos conseguido realizar todas as três etapas. Infelizmente, não fiz a grande descoberta de detectar uma nova física da inflação, mas definimos um caminho para pesquisas futuras. Podemos esperar abrir novas áreas de pesquisa usando o espectrógrafo Subaru Prime Focus”, disse Takada.
Os métodos e resultados deste estudo permitirão que os pesquisadores no futuro testem ainda mais a teoria da inflação.
Referência: “Restrições à não gaussianidade primordial anisotrópica de alinhamentos intrínsecos de galáxias BOSS SDSS-III” por Toshiki Kurita e Masahiro Takada, 31 de outubro de 2023, Revisão Física D.
DOI: 10.1103/PhysRevD.108.083533
