Novos resultados do Keck Cosmic Web Imager, ou KCWI, que foi projetado por Edward C. Stone, professor de física da Caltech, Christopher Martin e sua equipe, são os primeiros a mostrar luz direta emitida pela maior e mais oculta porção da teia cósmica: os filamentos finos e entrecruzados que se estendem pelos cantos mais escuros do espaço entre as galáxias. O instrumento KCWI está baseado no Observatório WM Keck no topo de Maunakea, no Havaí.

“Escolhemos o nome Keck Cosmic Web Imager para o nosso instrumento porque esperávamos que ele detectasse diretamente a teia cósmica”, diz Martin, que também é diretor dos Observatórios Ópticos do Caltech, que inclui a parte do Keck do Caltech; outros parceiros da Keck são a Universidade da Califórnia e a NASA. "Estou muito feliz que tenha dado certo."

As galáxias em nosso universo se condensam a partir de nuvens rodopiantes de gás. Esse gás então se condensa ainda mais em estrelas que iluminam as galáxias, tornando-as visíveis aos telescópios em uma variedade de comprimentos de onda de luz. 

Os astrônomos pensam que filamentos frios e escuros no espaço profundo serpenteiam até às galáxias, fornecendo-lhes gás, que é o combustível para a produção de mais estrelas. Em 2015, Martin e seus colegas encontraram “ evidências irrefutáveis ”, como Martin descreve, para este chamado modelo de fluxo frio de formação de galáxias: um longo filamento canalizando gás para uma grande galáxia. Para este trabalho, eles usaram um instrumento protótipo do KCWI, o Cosmic Web Imager, baseado no Observatório Palomar da Caltech .

Nesse caso, o filamento estava a ser iluminado por um quasar próximo, o núcleo brilhante de uma jovem galáxia. Mas a maior parte da teia cósmica situa-se no território desolado entre as galáxias e é difícil de visualizar.

“Antes desta última descoberta, víamos estruturas filamentares sob o equivalente a um poste de luz”, diz Martin. "Agora podemos vê-los sem lâmpada."

As novas descobertas aparecem num artigo publicado na Nature Astronomy nesta sexta-feira, 28.

Martin tem sido levado a revelar a teia cósmica em toda a sua glória desde que era estudante de graduação. Esta imagem detalhada da web, diz ele, fornecerá aos astrónomos as informações que faltam de que necessitam para compreender os detalhes de como as galáxias se formam e evoluem. Também pode ajudar os astrónomos a mapear a distribuição da matéria escura no nosso Universo (a matéria escura representa cerca de 85% de toda a matéria do Universo, mas os cientistas ainda não sabem do que é feita).

“A teia cósmica delineia a arquitetura do nosso universo”, diz ele. "É onde reside a maior parte da matéria normal, ou bariônica, da nossa galáxia e traça diretamente a localização da matéria escura."

A melhor maneira de ver a teia cósmica diretamente é captar assinaturas de seu principal componente, o gás hidrogênio, usando instrumentos chamados espectrômetros, que espalham a luz em uma infinidade de comprimentos de onda, também conhecidos como espectro. O gás hidrogênio pode ser identificado nesses espectros por meio de sua linha de emissão mais forte, chamada linha alfa de Lyman. Martin e seus colegas projetaram o KCWI para encontrar essas tênues assinaturas alfa de Lyman em uma imagem bidimensional (2D) do cosmos (daí o KCWI ser conhecido como espectrômetro de imagem). A primeira parcela do instrumento cobre a porção “azul” do espectro de luz visível, abrangendo comprimentos de onda que variam de 350 a 560 nanômetros. (A segunda parte do instrumento, chamada Keck Cosmic Reionization Mapper, ou KCRM, que vê a porção vermelha, ou comprimento de onda mais longo, do espectro visível, foi recentemente instalado em Keck ).

Os espectrômetros precisos do KCWI podem procurar as assinaturas alfa de Lyman da teia cósmica em uma variedade de comprimentos de onda. Devido à expansão do universo, que estende a luz para comprimentos de onda mais longos, o gás localizado mais longe da Terra tem uma assinatura alfa de Lyman mais vermelha. As imagens 2D capturadas pelo KCWI em cada comprimento de onda de luz podem ser empilhadas para formar um mapa tridimensional (3D) da emissão da teia cósmica. Para esta observação, o KCWI observou uma região do espaço entre 10 e 12 mil milhões de anos-luz de distância.

“Estamos basicamente criando um mapa 3D da teia cósmica”, explica Martin. "Pegamos espectros para cada ponto de uma imagem em uma faixa de comprimentos de onda, e os comprimentos de onda se traduzem em distância."

Um desafio na detecção da teia cósmica é que sua luz fraca pode ser confundida com a luz de fundo próxima que permeia os céus acima de Maunakea, incluindo o brilho da atmosfera, a luz zodiacal do sistema solar (gerada quando a luz solar se espalha pela poeira interplanetária) e até mesmo a luz da nossa própria galáxia.

Para resolver esse problema, Martin criou uma nova estratégia para subtrair essa luz de fundo das imagens de interesse. "Observamos duas manchas diferentes do céu, A e B. As estruturas dos filamentos estarão em distâncias distintas nas duas direções das manchas, então você pode pegar a luz de fundo da imagem B e subtraí-la de A, e vice-versa, deixando apenas as estruturas. Fiz simulações detalhadas disso em 2019 para me convencer de que esse método funcionaria”, diz ele.

O resultado é que os astrónomos têm agora “uma forma totalmente nova de estudar o Universo”, como diz Martin.

"Com o KCRM, o recém-implantado canal vermelho do KCWI, podemos ver ainda mais longe no passado", diz o cientista sênior de instrumentos Mateusz Matuszewski (MS '02, PhD '12). “Estamos muito entusiasmados com o fato de esta nova ferramenta nos ajudar a aprender sobre os filamentos mais distantes e a época em que as primeiras estrelas e buracos negros se formaram.”

Falando em novas maneiras de ver o universo, Martin se uniu ao artista Matt Schumaker para traduzir dados da teia cósmica em música para um projeto chamado "Spiral, supercluster, filament, wall (depois de Michael Anderson)". O projeto celebra a vida de Anderson, que morreu junto com seus colegas astronautas no acidente do ônibus espacial Columbia em 2003. Martin, que "fingiu que os filamentos eram cordas gigantes de violino", traduziu as massas dos filamentos para frequências baseadas na nota dó central. A peça pode ser ouvida aqui .

O estudo da Nature Astronomy , intitulado “ Extensa emissão difusa de Lyman alfa correlacionada com a estrutura cósmica ”, foi financiado pela National Science Foundation e Caltech. Outros autores incluem o estudante de graduação Zeren Lin; Matuszewski; e o engenheiro de software sênior James (Don) Neill, da Caltech; Behnam Darvish, ex-bolsista de pós-doutorado na Caltech; Renyue Cen, da Universidade de Princeton; Patrick Morrissey, do Laboratório de Propulsão a Jato e visitante de física no Caltech, que é gerenciado pelo Caltech para a NASA; e Anna Moore, da Universidade Nacional Australiana.