Com a divulgação dos resultados finais do Dark Energy Survey (DES) , conversamos com dois físicos que participaram do projeto desde o início. Nesta entrevista, Josh Frieman, cofundador do DES e diretor associado de física fundamental no Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do Departamento de Energia , e Risa Wechsler, professora de Humanidades e Ciências e professora de física na Escola de Humanidades e Ciências da Universidade Stanford, professora de física e de física de partículas e astrofísica no SLAC, e diretora do Instituto Kavli de Astrofísica de Partículas e Cosmologia , discutem o que o esforço de uma década nos ensinou e como ele nos prepara para a missão de 10 anos do Observatório Vera C. Rubin da NSF-DOE de explorar alguns dos maiores mistérios do universo.

Frieman: Energia escura é o nome que damos a um fenômeno que explica por que a expansão do universo está acelerando em vez de desacelerar. Se apenas a gravidade estivesse em ação, o universo deveria estar desacelerando, porque a matéria atrai a matéria. Em vez disso, existe um efeito gravitacionalmente repulsivo: a energia escura.

Para que isso aconteça, a energia escura precisa constituir cerca de 70% da quantidade total de massa-energia no universo hoje (cerca de 25% seriam matéria escura e 5% seriam átomos, a matéria da qual somos feitos), o que me indica que é algo que devemos tentar entender.

Uma das ideias mais antigas sobre o que a energia escura poderia ser remonta a Einstein, que adicionou às suas equações algo chamado constante cosmológica – o que hoje chamaríamos de energia do vácuo, a energia do espaço vazio. Na física clássica, essa energia seria zero, mas na mecânica quântica, até mesmo o espaço “vazio” possui energia. Ao analisarmos suas propriedades, essa energia se comporta exatamente como a energia escura: se ela dominar o universo, fará com que a expansão se acelere.

Wechsler: As observações mostram que a expansão descrita por Josh começou a acelerar aproximadamente na metade da história do universo, algo que a matéria sozinha não consegue fazer.

O universo primitivo também era muito homogêneo; hoje, ele é irregular – cheio de galáxias, estrelas e planetas. Nossas teorias da gravidade e da cosmologia nos dizem que a forma como o universo se expande e como se torna irregular depende do que ele contém. Medir esses dois efeitos observacionais com mais precisão do que no passado é uma maneira de descobrir o que a energia escura realmente é. Esses dois efeitos motivaram o Dark Energy Survey e outros levantamentos cosmológicos que estamos realizando atualmente.

Frieman: Os primeiros indícios da energia escura surgiram no início da década de 1990, e esses indícios se transformaram em evidências por meio da observação de apenas algumas dezenas de supernovas distantes no final da década de 1990. Mas, naquela época, isso foi suficiente para revelar que a expansão do universo estava se acelerando, uma descoberta que mais tarde rendeu o Prêmio Nobel.

A questão passou a ser: o que é energia escura e como podemos medir suas propriedades? Como Risa descreve, é preciso compreender tanto a história da expansão quanto o crescimento da estrutura. Isso requer um amplo levantamento cósmico de centenas de milhões de galáxias, juntamente com milhares de supernovas, a evidência original da expansão acelerada .

Em 2003, começamos a pensar em como fazer isso. Uma das principais motivações foi a construção de um novo telescópio para a radiação cósmica de fundo em micro-ondas no Polo Sul – o Telescópio do Polo Sul – que mapearia cerca de um décimo do céu e mediria aglomerados de galáxias como uma sonda da energia escura. Ficou claro que isso deveria ser combinado com um levantamento óptico da mesma região.

Percebemos que um levantamento óptico desse tipo poderia medir não apenas aglomerados de galáxias, mas também supernovas, crescimento de estruturas, agrupamento de galáxias e lentes gravitacionais. A ideia do Dark Energy Survey surgiu daí.

Nossa abordagem foi analisar o que poderia ser feito de forma relativamente rápida e acessível, utilizando um telescópio já existente no Observatório Interamericano de Cerro Tololo, no Chile, financiado pela NSF, e construindo o que se tornaria, na época, a maior câmera do mundo para um levantamento plurianual. Conseguimos reunir a Fundação Nacional de Ciência (NSF) e o Departamento de Energia para viabilizar este projeto.

Wechsler: Envolvi-me pela primeira vez no Dark Energy Survey em 2003, quando era pós-doutorando na Universidade de Chicago e o projeto estava apenas começando. Éramos cerca de 30 pessoas na época. Depois que enviamos a proposta inicial, a colaboração começou a crescer lentamente.

Quando me mudei para o SLAC em 2006, várias pessoas com formação em física de partículas estavam migrando para projetos de astrofísica, como o Observatório Rubin , e estavam ansiosas para trabalhar no DES – ficou claro que seria benéfico trabalhar em algo com dados o quanto antes.

Ao longo dos anos, o DES tornou-se um verdadeiro centro de atividades no SLAC, com a contribuição de várias gerações de estudantes e pós-doutorandos. Muitos pesquisadores em início de carreira que agora trabalham no Rubin passaram seus anos de estudante ou pós-doutorado aqui trabalhando no DES e incorporaram tudo o que aprenderam a esta nova pesquisa.

Frieman: A primeira grande descoberta do DES foi a detecção de dezesseis galáxias anãs em nossa vizinhança cósmica. Embora Risa e seu grupo já estivessem pensando em galáxias anãs, não projetamos o DES para encontrá-las; o levantamento foi criado para investigar a energia escura. Aconteceu que o levantamento que criamos para estudar a energia escura também se mostrou muito eficaz na descoberta de galáxias anãs próximas.

Wechsler: Do meu ponto de vista como cientista que realiza simulações cosmológicas, esperávamos encontrar muitos desses pequenos sistemas difusos ao redor da Via Láctea. O Sloan Digital Sky Survey tinha acabado de começar a detectar os primeiros desses objetos antes do início do DES. Mas, como Josh disse, o DES não foi projetado para isso.

O que não previmos foi o quão poderosas essas galáxias anãs se tornariam como sondas da matéria escura. Com o tempo, aprendemos a usá-las para testar aspectos da física da matéria escura que, de outra forma, seriam muito difíceis de acessar. Atualmente, elas são as sondas mais sensíveis de certas propriedades da matéria escura que se pode obter por meio de observações astronômicas. É uma direção empolgante que estamos explorando com os levantamentos de próxima geração.

Frieman: Há várias outras áreas em que o DES fez descobertas importantes. Uma coisa mais recente que eu gostaria de destacar – eu não chamaria de descoberta, mas de indício. Há agora sinais de que a energia escura pode não ser a constante cosmológica ou essa energia de vácuo fixa. Pode, em vez disso, ser algo que muda com o tempo.

Se for esse o caso, o primeiro indício real de que a energia escura pode não ser constante veio dos resultados das supernovas do DES no início de 2024. Eles foram seguidos muito rapidamente por novas medições da distribuição de galáxias do levantamento DESI. E quando você junta essas duas coisas, começa a ter essa indicação de que talvez a energia escura esteja evoluindo.

Ainda não sabemos se é uma descoberta. Rubin, entre outros, vai esclarecer isso de uma forma ou de outra. Mas, para mim, isso foi empolgante porque o DES foi planejado para obter as restrições mais rigorosas possíveis sobre a natureza da energia escura, e isso nos aproxima desse objetivo.

Wechsler: Por outro lado, existe uma história diferente que poderíamos contar, que é a de que o que aprendemos até agora é que estamos muito, muito perto dessa constante cosmológica.

Testamos este modelo exaustivamente e estamos prestes a descobrir se ele falha. Ainda não temos certeza. Saberemos mais quando tivermos mais dados. Mas ele é muito semelhante ao modelo que temos usado há quase 27 anos, aquele que temos tentado quebrar.

Até agora, eu diria que ainda não foi quebrado. Continuamos fazendo medições muito mais precisas e estamos sempre tentando quebrar as coisas. Acho que todos nós ficaríamos muito felizes se essas dicas se transformassem em uma quebra, mas ainda não sabemos.

Frieman: Sempre considerei o Rubin como o Dark Energy Survey turbinado: é maior em todas as dimensões. Abrangerá mais céu, irá mais fundo e observará com uma cadência muito mais rápida, o que revelará todos os tipos de fenômenos transitórios. E o volume de dados será ordens de magnitude maior, tornando todos os desafios de análise que Risa mencionou ainda mais difíceis.

Um dos pontos fortes do DES foi o desenvolvimento de novas técnicas necessárias para analisar seus dados. Esses métodos serão extremamente úteis para o Rubin. Grande parte do trabalho de base para a análise de grandes levantamentos foi realizado com o DES, e muitas das técnicas utilizadas nos primeiros anos do Rubin serão técnicas do DES já testadas e aprovadas.

Como o Rubin é amplo, rápido e profundo, ele irá sondar coisas que nunca fomos capazes de estudar antes. No domínio do tempo, ele essencialmente fará um filme do céu austral. Espero que vejamos fenômenos raros, que evoluem ao longo do tempo, que ninguém jamais observou. E como ele mapeia um volume tão grande, encontrará coisas que vimos apenas uma ou duas vezes, como supernovas com lentes gravitacionais. Vimos apenas algumas; o Rubin pode encontrar dezenas ou até centenas, abrindo novos caminhos para a cosmologia.

Wechsler: Concordo, o DES nos ajudou a desenvolver as ferramentas necessárias para a cosmologia moderna e para combinar diferentes tipos de medições. Algumas das análises nos resultados finais do DES não foram imaginadas quando começamos; elas se desenvolveram ao longo do tempo. Essas técnicas são exatamente o que traremos para as primeiras análises de Rubin.

Para o mapa “estático” do céu, o Rubin é semelhante em espírito ao DES, só que muito maior e mais profundo, com aproximadamente dez vezes mais galáxias. Mas a parte do domínio do tempo – o filme do céu – é completamente nova. O DES tinha uma versão muito pequena disso, mas nada perto da escala ou cadência do Rubin. O Rubin abrirá um espaço de descobertas que nunca exploramos. Algumas delas estão relacionadas à energia escura, como a descoberta de muito mais supernovas, mas muitas vão além disso.

Esperamos encontrar muitas outras galáxias minúsculas e remanescentes de galáxias que caíram em nosso sistema solar, além de muitas novidades que nos revelarão informações sobre matéria escura, formação de galáxias, estrelas, buracos negros e até mesmo objetos em nosso próprio sistema solar. O que mais me entusiasma é o espaço para descobertas: as coisas em que ainda nem sequer pensamos.