Os cosmólogos estão lutando com uma questão interessante: quanta aglomeração o Universo tem? Existem medições concorrentes, mas não compatíveis, da aglomeração cósmica e isso introduz uma “tensão” entre as diferentes medições. Envolve a quantidade e distribuição de matéria no Universo. No entanto, a energia escura e os neutrinos também estão na mistura. Agora, os resultados de uma recente grande pesquisa de raios X de aglomerados de galáxias podem ajudar a “aliviar a tensão”.

O instrumento de raios X eROSITA que orbita além da Terra realizou um extenso levantamento do céu de aglomerados de galáxias para medir a distribuição de matéria (agrupamento) no Universo. Cientistas do Instituto Max Planck de Física Extraterrestre compartilharam recentemente suas análises de seus dados cosmologicamente importantes.

“A eROSITA agora elevou a medição da evolução de clusters como uma ferramenta para cosmologia de precisão para o próximo nível”, disse a Dra. Esra Bulbul (MPE), cientista-chefe dos clusters e da equipe de cosmologia da eROSITA. “Os parâmetros cosmológicos que medimos a partir de aglomerados de galáxias são consistentes com o estado da arte da radiação cósmica de fundo em micro-ondas, mostrando que o mesmo modelo cosmológico se mantém desde logo após o Big Bang até hoje.”

eROSITA, o modelo cosmológico padrão e aglomeração

Para entender melhor o que isso significa, vejamos o que a equipe está tentando confirmar. A ideia é descobrir como tem sido o Universo ao longo do tempo. Isso significa compreender a matéria, a sua distribuição (ou aglomeração) e o papel que a matéria escura e a energia escura desempenharam. Tudo começou logo após o Big Bang, quando o Universo estava num estado quente e denso. As únicas coisas existentes eram fótons e partículas. O Universo expandiu-se e começou a condensar-se em regiões de maior densidade. Pense nisso como variações de densidade ou áreas de maior ou menor aglomeração na sopa primordial. À medida que as coisas arrefeciam e se expandiam, os aglomerados mais densos na sopa tornaram-se galáxias e, eventualmente, aglomerados de galáxias. A aglomeração foi mais suave (ou “isotrópica”) do que o esperado. Isso levanta questões sobre o papel da matéria escura e da energia escura, entre outras coisas.

As observações do eROSITA de aglomerados de galáxias e distribuição de matéria mostraram vários resultados interessantes. Primeiro, tanto a matéria escura como a matéria visível (matéria bariónica) constituem cerca de 29% da densidade energética total do Universo. Presumivelmente, o resto consiste em energia escura, sobre a qual ainda não sabemos muito. Densidade de energia é a quantidade de energia armazenada em uma região do espaço em função do volume. Na cosmologia, também inclui qualquer massa nesse volume de espaço.

Este gráfico mostra as restrições impostas à densidade total da matéria no Universo e no S8 “tensão”. As restrições dos aglomerados de galáxias eROSITA estão em laranja, do Cosmic Microwave Background (Planck) em azul, das lentes fracas (DES+KiDS) em cinza e das contagens de número de aglomerados (SPT) em preto. Crédito: MPE, V. Ghirardini pelo consórcio eROSITA

A medição da densidade de energia está de acordo com as medições da radiação cósmica de fundo em micro-ondas – também conhecida como CMB. Pense nisso como um mapa das variações de densidade no Universo primordial. É composto de radiação de micro-ondas que permeia o Universo. Essa radiação não é completamente suave ou uniforme. Essa é a variabilidade na densidade que eventualmente se tornou a semente das primeiras galáxias.

Medindo a aglomeração

O objetivo do eROSITA é medir a formação de aglomerados de galáxias ao longo do tempo cósmico. Ao traçar a sua evolução através dos raios X emitidos pelo gás quente, o instrumento traçou tanto a quantidade total de matéria no Universo como a sua aglomeração. Essas medições resolvem a “tensão” ou discrepância entre medições anteriores de aglomeração que usaram técnicas diferentes. Isso incluiu a CMB e observações de lentes gravitacionais fracas.

Uma simulação computacional da aparência do gás e das estrelas em um aglomerado de galáxias e como eles se parecem incorporados na teia cósmica.  A montagem de aglomerados de galáxias tem implicações para a aglomeração do Universo ao longo do tempo.  Crédito: Yannick Bahé.
Uma simulação computacional da aparência do gás e das estrelas em um aglomerado de galáxias e como eles se parecem incorporados na teia cósmica. A montagem de aglomerados de galáxias tem implicações para a aglomeração do Universo ao longo do tempo. Crédito: Yannick Bahé.

Os dados do eROSITA mostram que a distribuição da matéria está realmente de acordo com medições anteriores do CMB. Isto é uma boa notícia porque os cosmólogos temiam ter de invocar a “nova física” para explicar a tensão entre as medições. “O eROSITA diz-nos que o Universo se comportou conforme esperado ao longo da história cósmica”, diz o Dr. Vittorio Ghirardini, investigador de pós-doutoramento no MPE que liderou o estudo de cosmologia. “Não há tensão com a CMB. Talvez os cosmólogos possam relaxar um pouco agora.”

Mas espere, há neutrinos com os quais se preocupar!

Curiosamente, as medições eROSITA de aglomerados de galáxias e outras grandes estruturas também fornecem informações sobre neutrinos. São as partículas com massa mais abundantes que conhecemos no Universo. Eles vêm do Sol e de supernovas (por exemplo), mas também se originaram no Big Bang. A pesquisa da eROSITA oferece novas informações sobre a massa dos neutrinos e sua prevalência. “Obtivemos restrições rígidas sobre a massa das partículas mais leves conhecidas a partir da abundância dos maiores objetos do Universo”, disse Ghirardini.

Simulações de computador mostram como os neutrinos podem formar aglomerados cósmicos.  Crédito: Yoshikawa, Kohji e outros
Simulações de computador mostram como os neutrinos podem formar aglomerados cósmicos. Crédito: Yoshikawa, Kohji e outros

Os neutrinos podem ser pequenos e difíceis de “ver”, mas têm uma massa que contribui para a densidade total da matéria no Universo. Os cosmólogos os descrevem como “quentes”, o que significa que viajam quase à velocidade da luz. Portanto, tendem a suavizar a distribuição da matéria – o que pode ser investigado através da análise da evolução dos aglomerados de galáxias no Universo. E há uma boa chance de que o eROSITA possa ajudar a resolver o mistério da massa dos neutrinos. “Estamos à beira de um avanço para medir a massa total dos neutrinos quando combinados com experimentos de neutrinos baseados em terra”, acrescentou Ghirardini.

Como a eROSITA fez isso

Há muito mais para explorar nos dados do eROSITA, mas também é fascinante observar a extensão dos dados da pesquisa. Compreende um dos mais extensos catálogos de aglomerados de galáxias já feitos. A chamada “metade galáctica ocidental” da pesquisa de todo o céu contém 12.247 aglomerados de galáxias de raios-X identificados opticamente. “Destes, 8.361 representam novas descobertas – quase 70%”, disse Matthias Kluge, pesquisador de pós-doutorado no MPE responsável pela identificação óptica dos aglomerados detectados. “Isso mostra o enorme potencial de descoberta do eROSITA.”

Todos esses dados podem ser mapeados em três dimensões e, quando os cientistas fazem isso, os aglomerados de galáxias aparecem como interseções da teia cósmica. Além disso, há um catálogo de superaglomerados, que também mostra aglomerados conectados e os filamentos de matéria entre eles. “Encontramos mais de 1.300 sistemas de superaglomerados, o que torna esta a maior amostra de superaglomerados de raios X de todos os tempos”, disse Ang Liu, pesquisador de pós-doutorado no MPE.

Esta nova visão da aglomeração no Universo vem da primeira divulgação de dados da eROSITA. O instrumento concluiu pesquisas adicionais no início de 2022. Assim que esses dados forem analisados, os astrónomos esperam investigar ainda mais profundamente a distribuição da matéria no Universo e testar os seus modelos face à realidade. “Quando os dados completos forem analisados”, disse Esra Bulbul, “o eROSITA submeterá novamente os nossos modelos cosmológicos ao teste mais rigoroso alguma vez realizado através de uma pesquisa de aglomerados”.

Para maiores informações

eROSITA relaxa a tensão cosmológica
A Pesquisa SRG/eROSITA All-Sky: Restrições Cosmológicas das Abundâncias de Clusters no Hemisfério Galáctico Ocidental

Sobre eROSITA

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