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BOSS faz a medição mais precisa ainda de expansão do universo



O Estudo Espectroscópico Oscilatório Bariónico (BOSS - Baryon Oscillation Spectroscopic Survey), o maior componente do SDSS-III (Sloan Digital Sky Survey), foi pioneiro no uso de quasares para mapear a densidade de variações de densidade no gás intergaláctico em altos desvios para o vermelho, traçando a estrutura do Universo jovem. O BOSS conta a história da expansão do Universo a fim de iluminar a natureza da energia escura, e novas medidas da estrutura a larga escala renderam a medição mais precisa da expansão desde a formação das primeiras galáxias.

Os resultados mais recentes combinam duas técnicas analíticas separadas. Um novo tipo de análise, liderada pelo físico Andreu Font-Ribera do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA (Berkeley Lab) e pela sua equipa, foram publicados no final do ano passado. Novas análises utilizaram uma abordagem já testada, mas com muito mais dados do que antes, e foram publicadas por Timothée Delubac, do Centre de Saclay do EPFL da Suíça e da França, e pela sua equipa. Em conjunto, as duas análises estabelecem a taxa de expansão em 68 km/s por milhão de anos-luz a um desvio para o vermelho de 2,34, com uma precisão sem precedentes de 2,2%.

"Isto significa que, se olharmos para trás no Universo, para quando tinha menos de um-quarto da sua idade actual, veríamos que um par de galáxias separadas por um milhão de anos-luz estaria afastando-se a uma velocidade de 68 km/s à medida que o Universo se expandia," realça Font-Ribera, pós-doutorado da Divisão de Física do Laboratório Berkeley. "A incerteza é apenas mais ou menos um quilómetro e meio por segundo". Font-Ribera apresentou estes resultados na reunião de Abril de 2014 da Sociedade Americana de Física em Savannah, Georgia, EUA.

O BOSS utiliza tanto galáxias como quasares distantes para medir oscilações acústicas bariónicas (OABs), uma marca ou impressão na forma como a matéria é distribuída, resultante de condições do Universo primitivo. Embora também presente na distribuição da matéria escura invisível, esta assinatura é evidente na distribuição da matéria comum, incluindo galáxias, quasares e hidrogénio intergaláctico.

"Há três anos atrás o BOSS usou 14.000 quasares para demonstrar que conseguíamos fazer os maiores mapas tridimensionais do Universo," afirma David Schlegel do Laboratório Berkeley, investigador principal do BOSS. "Há dois anos atrás, com 48.000 quasares, detectámos pela primeira vez oscilações acústicas bariónicas nestes mapas. Agora, com mais de 150.000 quasares, fizemos medições extremamente precisas das OABs."

A assinatura das OABs corresponde a um excesso de cerca de 5% no agrupamento de matéria numa separação conhecida como escala OAB. Experiências recentes, incluindo o BOSS e o estudo pelo satélite Planck da radiação cósmica de fundo em microondas, colocou a escala OAB, medida no Universo actual, muito próximo dos 450 milhões de anos-luz - uma "régua padrão" para medir a expansão.

As OABs são descendentes directas de ondas de pressão (ondas sonoras) que se deslocam pelo Universo primitivo, quando as partículas de luz e matéria estavam inextricavelmente emaranhadas; 380.000 anos após o Big Bang, o Universo tinha arrefecido o suficiente para a luz ficar livre. A radiação cósmica de fundo de microondas preserva um registo precoce dos picos de densidade acústica; estas foram as sementes da subsequente impressão de OABs na distribuição de matéria.

Quasares prolongam a "régua padrão"

Trabalhos anteriores do BOSS usaram o espectro de mais de um milhão de galáxias para medir a escala OAB com uma precisão notável de um por cento. Mas para lá do desvio para o vermelho de 0,7 (a uma distância de cerca de seis mil milhões de anos-luz), as galáxias tornam-se mais ténues e mais difíceis de observar. Para desvios para o vermelho muito superiores, como aqueles no presente estudo, com média de 2,34, o BOSS foi pioneiro no método "floresta Lyman-alpha", usando espectros de quasares distantes para calcular a densidade de hidrogénio intergaláctico.

Como a luz de um quasar distante passa por hidrogénio gasoso interveniente, manchas de maior densidade absorvem mais luz. As linhas de absorção do hidrogénio neutro no espectro (linhas Lyman-alpha) identificam cada zona densa através do seu desvio para o vermelho. Existem tantas linhas em tal espectro que, de facto, assemelha-se com uma floresta - a floresta Lyman-alpha.

Com suficientemente bons espectros de quasar, e também perto o suficiente, a posição das nuvens de gás podem ser mapeadas em três dimensões - tanto ao longo da linha de visão para cada quasar e transversalmente entre manchas densas reveladas por espectros de outros quasares. A partir destes mapas consegue-se extrair o sinal das OABs.

Embora introduzido pelo BOSS há apenas alguns anos atrás, este método de usar os dados da floresta Lyman-alpha, chamado de autocorrelação, parece agora quase tradicional. Os resultados de autocorrelação agora publicados por Delubac e colegas utilizam o espectro de quase 140.000 quasares BOSS cuidadosamente seleccionados.

Font-Ribera e colegas determinaram as OABs usando ainda mais quasares do BOSS de modo diferente. Os quasares são galáxias jovens alimentadas por buracos negros massivos, extremamente brilhantes, extremamente distantes e por isso com um alto desvio para o vermelho. Em vez de comparar os espectros com outros espectros, a equipa de Font-Ribera correlacionou os próprios quasares com os espectros de outros quasares, um método chamado correlação cruzada.

"Os quasares são galáxias gigantescas, e nós esperamos que estejam nas partes mais densas do Universo, onde a densidade do gás intergaláctico também deve ser maior," comenta Font-Ribera. "Portanto, esperamos encontrar mais gás absorvente do que a média quando olhamos perto dos quasares." A questão é saber se a correlação seria suficientemente boa para ver a impressão das OABs.

Na verdade, a marca das OABs na correlação cruzada é forte. Delubac e sua equipa combinaram os seus resultados de autocorrelação com os resultados de correlação cruzada de Font-Ribera e sua equipa, e convergiram para limitações da escala OAB. A autocorrelação e a correlação cruzada também convergiram na precisão das suas medições da taxa de expansão do Universo, chamado parâmetro de Hubble. Ao desvio para o vermelho de 2,34, a medição combinada era equivalente a 68±1,5 km/s por milhão de anos-luz.

"É a medida mais precisa do parâmetro de Hubble em qualquer desvio para o vermelho, até melhor que a medição que temos do Universo local a um desvio para o vermelho de zero," realça Font-Ribera. "Estes resultados permitem-nos estudar a geometria do Universo quando tinha apenas um-quarto da sua idade actual. Combinados com outras experiências cosmológicas, podemos aprender mais sobre a energia escura e colocar restrições apertadas sobre a curvatura do Universo - é muito plano!"

David Schlegel observa que quando o BOSS estava apenas começando, a técnica de correlação cruzada tinha já sido sugerida, mas "alguns de nós estavam com medo que não funcionasse. Estávamos errados. As nossas medidas de precisão são ainda melhores do que os nossos cenários optimistas."

FONTE: ASTRONOMY.COM

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