Supernovas observadas, aglomerados de galáxias e lente gravitacional para esclarecer a natureza da energia escura
O Misterioso Acelerador Cósmico
Em 1998, duas equipas independentes fizeram uma descoberta inesperada: supernovas do tipo I distantes mostraram-se mais fracas do que o esperado para uma expansão do Universo desacelerada ou quase constante. Isto indicava que a expansão do Universo está a acelerar. Esta mudança nos resultados deu origem à ideia da “energia escura” – um efeito “repulsivo” desconhecido que impulsiona o Universo a acelerar. A explicação mais simples é a constante cosmológica (Λ) com uma equação de estado w = -1, mas ainda não sabemos se a energia escura é realmente constante ou pode variar dinamicamente. Essencialmente, determinar a natureza da energia escura pode iniciar uma nova fase na física fundamental, unindo observações em escala cósmica com a teoria quântica de campos ou novas definições da gravidade.
Revisões da energia escura – programas de observação especializados que utilizam vários métodos para avaliar a assinatura da energia escura na expansão cósmica e no crescimento das estruturas. Os métodos mais importantes são:
- Supernovas do tipo I (lanternas padrão) – para estudar a relação distância-redshift.
- Aglomerados de galáxias – para seguir a evolução dos aglomerados de matéria ao longo do tempo.
- Lente gravitacional (forte e fraca) – para estudar a distribuição de massa e a geometria do Universo.
Comparando dados observacionais com modelos teóricos (ex. ΛCDM), estas revisões tentam estimar a equação de estado da energia escura (w), a possível evolução temporal w(z) e outros parâmetros da dinâmica cósmica.
2. Supernovas do Tipo I: Lanternas Padrão para o Estudo da Expansão
2.1 A Descoberta da Aceleração
Supernovas do tipo I – são explosões termonucleares de anãs brancas, caracterizadas por um brilho máximo bastante uniforme, que pode ser “normalizado” com base na forma da curva de luz e correções de cor. No final da década de 1990, a “High-Z Supernova Search Team” e o “Supernova Cosmology Project” observaram supernovas até z ∼ 0,8 que pareciam mais fracas (e portanto mais distantes) do que o esperado para um Universo sem expansão acelerada. Esta conclusão indicava uma aceleração cósmica, pela qual em 2011 foi atribuída a Nobel da Física aos principais membros destes projetos [1,2].
2.2 Revisões Modernas de Supernovas
- SNLS (Supernova Legacy Survey) – telescópio Canadá–França–Havaí, que reuniu centenas de supernovas até z ∼ 1.
- ESSENCE – focou-se no intervalo de redshifts médios.
- Pan-STARRS, DES programas de supernovas – observações em campo amplo que detectam milhares de supernovas do tipo I.
Ao combinar os módulos de distância das supernovas com dados de redshift, constrói-se o "Diagrama de Hubble", que segue diretamente a taxa de expansão do Universo ao longo do tempo cósmico. Os resultados indicam que a energia escura provavelmente tem w ≈ -1, mas não descartam pequenas variações. Além disso, as calibrações locais atuais de supernovas–Cefeidas contribuem para a discussão da "tensão de Hubble", mostrando um valor de H0 mais alto do que o previsto pelos dados do CMB.
2.3 Perspetivas Futuras
No futuro, estudos profundos de objetos variáveis – o Observatório Rubin (LSST) e o Telescópio Espacial Roman – detetarão dezenas de milhares de supernovas do tipo I até z > 1, permitindo restringir mais rigorosamente w e suas possíveis variações w(z). A principal dificuldade é a calibração sistemática – é necessário garantir que variações não detectadas no brilho, poeira ou evolução da população não imitem mudanças na energia escura.
3. Aglomerados de Galáxias: Halos Massivos como Indicadores Cósmicos
3.1 Abundância e Crescimento dos Aglomerados
Aglomerados de galáxias – as maiores estruturas ligadas gravitacionalmente, dominadas por matéria escura, gases intergalácticos quentes e galáxias. O seu número ao longo do tempo cósmico é muito sensível à densidade da matéria (Ωm) e ao efeito da energia escura no crescimento das estruturas. Se a energia escura desacelera a formação das estruturas, formar-se-ão menos aglomerados massivos em altos redshifts. Por isso, ao contar aglomerados em vários redshifts e medir as suas massas, é possível obter restrições para Ωm, σ8 e w.
3.2 Métodos de Deteção e Calibração de Massa
Os aglomerados podem ser identificados por:
- Radiação de raios X proveniente de gases quentes (ex., ROSAT, Chandra).
- Efeito Sunyaev–Zeldovich (SZ): distorções nos fótons do CMB causadas por colisões com gases eletrónicos quentes nos aglomerados (SPT, ACT, Planck).
- Radiação óptica ou IV: maior densidade na região de galáxias vermelhas (ex., SDSS, DES).
Para calcular a massa total de um aglomerado a partir dos indicadores observados, são necessárias as relações entre massa e quantidade observada. O lenteamento fraco ajuda a calibrar essas relações e assim reduzir a sistemática. Levantamentos como SPT, ACT ou DES já usaram aglomerados para estudar a energia escura, embora a questão dos erros de massa continue importante.
3.3 Principais Levantamentos e Resultados
Catálogo de aglomerados DES, levantamento de raios X eROSITA e catálogo de aglomerados SZ do Planck abrangem conjuntamente milhares de aglomerados até z ~ 1. Confirmam o Universo do modelo ΛCDM, embora alguns estudos tenham mostrado pequenas discrepâncias entre si na amplitude do crescimento das estruturas. Ao expandir a calibração da massa dos aglomerados e as funções de deteção, os dados dos aglomerados podem restringir ainda melhor a energia escura.
4. Lenteamento Gravitacional: Estudo da Massa e Geometria
4.1 Lente Gravitacional Fraca (Cisalhamento Cósmico)
As formas das galáxias distantes são pouco distorcidas (lente fraca) devido à distribuição da massa em primeiro plano. Analisando milhões de imagens de galáxias, é possível reconstruir as flutuações da densidade de matéria e o seu crescimento, sensível a Ωm, σ8 e ao efeito da energia escura. Projetos como CFHTLenS, KiDS, DES e futuros Euclid ou Roman alcançarão medições de lente fraca com precisão percentual, possivelmente revelando desvios ou confirmando o modelo ΛCDM [3,4].
4.2 Lente Gravitacional Forte
Aglomerados massivos ou galáxias podem criar múltiplas imagens de fontes de fundo ou arcos de luz, amplificando-as. Embora seja informação mais local, a lente gravitacional forte permite medir com precisão a distribuição de massa e, usando atrasos temporais de quasares (ex., H0LiCOW), estimar independentemente a constante de Hubble. Alguns estudos indicam H0 ≈ 72–74 km/s/Mpc, próximo das medições locais de supernovas, contribuindo para a “tensão do Hubble”.
4.3 Combinação com Supernovas e Aglomerados
Os dados de lente gravitacional complementam bem as restrições dos aglomerados (ex., massa do aglomerado calibrada por lente) e as medições de distância das supernovas, combinando-se num conjunto comum de parâmetros cosmológicos. A sinergia entre lente, aglomerados e supernovas é crucial para reduzir degenerescências e sistemáticas, visando restrições confiáveis à energia escura.
5. Principais Levantamentos Atuais e Futuros de Energia Escura
5.1 Dark Energy Survey (DES)
Realizado entre 2013–2019 com o telescópio Blanco de 4 m (Cerro Tololo), o DES observou ~5000 graus quadrados do céu com cinco filtros (grizY), além de realizar um programa de observação de supernovas em campos dedicados. Inclui:
- Conjunto de supernovas (~milhares de SNe tipo I) para construir o diagrama de Hubble.
- Lente gravitacional fraca (cisalhamento cósmico) para estudar a distribuição da matéria.
- Observações de aglomerados e BAO na distribuição de galáxias.
A sua análise do terceiro ano e final apresentou resultados semelhantes ao ΛCDM, mostrando w ≈ -1 ± 0,04. Ao combinar os dados Planck + DES, os erros diminuem ainda mais, sem encontrar evidência clara de energia escura variável.
5.2 Euclid e o Telescópio Espacial Nancy Grace Roman
Euclid (ESA) deverá ser lançado por volta de 2023, realizando imagens e espectroscopia no infravermelho próximo numa área de ~15 000 graus quadrados. Medirá tanto o lente gravitacional fraco (formas de milhares de milhões de galáxias), como o BAO (medições de deslocamento espectral). Espera-se uma precisão de distância de ~1% até z ≈ 2 – o que permitirá testar com grande sensibilidade um possível w(z) ≠ constante.
Telescópio Roman (NASA), planeado para a terceira década, terá uma câmara IR grande angular e realizará o “High Latitude Survey”, abrangendo medições de lente gravitacional e deteção de supernovas. Estes projetos procurarão restrições subpercentuais em w e nas suas possíveis variações, ou confirmarão que se trata realmente de uma constante cosmológica fixa.
5.3 Outros Projetos: DESI, LSST, 21 cm
Embora o DESI seja principalmente uma revisão espectral de BAO, complementa os estudos da energia escura ao medir distâncias a vários desvios para o vermelho com 35 milhões de galáxias/quasares. O LSST (Observatório Rubin) observará cerca de 10 milhões de supernovas ao longo de 10 anos e capturará bilhões de formas de galáxias para lente fraca. Mapas de intensidade de 21 cm (SKA, CHIME, HIRAX) também prometem medir a estrutura em grande escala e BAO em alto desvio para o vermelho, restringindo ainda melhor a evolução da energia escura.
6. Objetivos Científicos e Importância
6.1 Medição Precisa de w e da Sua Variação
O objetivo de muitas revisões da energia escura é medir o parâmetro da equação de estado w, procurando possíveis desvios de -1. Se w ≠ -1 ou variar no tempo, indicaria um campo dinâmico (ex., quintessência) ou modificações da gravidade. Os dados atuais indicam w = -1 ± 0,03. As próximas revisões poderão restringir isto para ±0,01 ou ainda mais, confirmando uma energia de vácuo quase constante ou abrindo caminho para nova física.
6.2 Teste da Gravidade em Grande Escala
A taxa de crescimento das estruturas, medida através de deslocamentos de distorções espaciais ou weak lensing, pode indicar se a gravidade corresponde à GR (relatividade geral). Se as estruturas crescem mais rápido ou mais devagar do que o previsto pelo ΛCDM para uma dada história de expansão, pode haver indícios de gravidade modificada ou interação da energia escura. Até agora, só se observaram pequenas discrepâncias, mas serão necessários mais dados para resultados decisivos.
6.3 Resolução da Tensão de Hubble?
As revisões da energia escura podem ajudar, reconstruindo a história da expansão em redshifts intermédios (z ∼ 0,3–2), ligando assim as estimativas locais da escada cósmica e da expansão do Universo primordial (KFS). Se a “tensão” surgir de novidades na física do Universo primordial, estas medições intermédias podem confirmá-la ou refutá-la. Ou podem mostrar que as medições locais diferem sistematicamente da média cósmica, ajudando a compreender (ou a agravar) a tensão.
7. Desafios e Próximos Passos
7.1 Erros Sistemáticos
Cada método tem os seus próprios desafios: calibração de supernovas (absorção de poeira, padronização), relações entre massas de aglomerados e quantidades observadas, erros nas medições da forma de lentes, erros nos redshifts fotométricos. As revisões dedicam muita atenção a garantir a precisão sistemática. A combinação de métodos independentes é crucial para a verificação mútua.
7.2 Grandes Volumes de Dados
As próximas revisões fornecerão dados gigantescos: milhares de milhões de galáxias, milhões de espectros, milhares de supernovas. São necessários sistemas automatizados de processamento de dados, classificadores de aprendizagem automática e análises estatísticas avançadas. Grandes equipas de investigadores (DES, LSST, Euclid, Roman) colaboram para garantir resultados mais robustos, partilhando dados e cruzamentos entre diferentes métodos.
7.3 Possíveis Surpresas
Historicamente, cada grande conjunto de observações cósmicas ou confirma o modelo padrão, ou revela novas anomalias. Se detectarmos mesmo uma pequena variação de w(z) em relação a -1, ou persistirem discrepâncias no crescimento das estruturas, poderá ser necessário alterar a teoria. Alguns propõem energia escura primordial, espécies relativísticas adicionais ou campos exóticos. Por enquanto, domina o ΛCDM, mas a persistência de discrepâncias a longo prazo poderia impulsionar novos avanços além do modelo convencional.
8. Conclusão
Revisões da energia escura, utilizando supernovas, aglomerados de galáxias e lente gravitacional, são o núcleo do progresso da cosmologia moderna para compreender a natureza da expansão acelerada do Universo. Cada método abrange diferentes espectros e propriedades das épocas cósmicas:
- Supernovas do tipo I permitem medir distâncias com grande precisão a partir do desvio para o vermelho, refletindo a natureza da expansão tardia.
- A abundância de aglomerados mostra como as estruturas se formam sob a influência dos "impulsos" da energia escura, revelando a densidade da matéria e a taxa de crescimento.
- A lente fraca revela a flutuação total da massa, ligando a geometria do Universo ao crescimento das estruturas; a lente forte, medindo atrasos temporais, pode mesmo determinar a constante de Hubble.
Grandes projetos – DES, Euclid, Roman, DESI e outros – aproximam-se de uma medição percentual ou ainda mais precisa do parâmetro de expansão cósmica, permitindo refinar se o modelo ΛCDM com constante cosmológica permanece intacto ou se surgem sinais de energia escura variável. Estas revisões também podem contribuir para resolver a tensão do Hubble, testar possíveis modificações da gravidade ou até descobrir novos fenómenos cósmicos. De facto, com o aumento do volume de dados na próxima década, aproximamo-nos cada vez mais da conclusão sobre se a energia escura é simplesmente energia do vácuo ou se há nova física por trás dela. Isto ilustra perfeitamente como as observações cósmicas e instrumentos avançados conduzem a descobertas fundamentais em astrofísica.
Literatura e Leitura Adicional
- Riess, A. G., et al. (1998). „Evidência observacional de supernovas para um universo em aceleração e uma constante cosmológica.“ The Astronomical Journal, 116, 1009–1038.
- Perlmutter, S., et al. (1999). „Medições de Ω e Λ a partir de 42 supernovas de alto desvio para o vermelho.“ The Astrophysical Journal, 517, 565–586.
- Bartelmann, M., & Schneider, P. (2001). „Lente gravitacional fraca.“ Physics Reports, 340, 291–472.
- Abbott, T. M. C., et al. (DES Collaboration) (2019). „Resultados do Dark Energy Survey Ano 1: Restrições cosmológicas a partir do agrupamento de galáxias e lente fraca.“ Physical Review D, 99, 123505.
- Laureijs, R., et al. (2011). „Euclid Definition Study Report.“ arXiv:1110.3193.