A matéria escura é invisível para todos os nossos instrumentos, mas isso não significa que não está lá. Um radiotelescópio grande o suficiente deve ser capaz de mapear a radiação do hidrogênio pregalático - formado logo após o big bang e visível em todas as direções. Qualquer matéria escura intermediária distorcerá essa radiação, como ondulações em um lago, revelando sua presença e quantidade.
À medida que a luz viaja para nós a partir de objetos distantes, seu caminho é curvado levemente pelos efeitos gravitacionais das coisas que passa. Esse efeito foi observado pela primeira vez em 1919 para a luz de estrelas distantes passando perto da superfície do Sol, provando que a teoria da gravidade de Einstein era uma melhor descrição da realidade do que a de Newton. A flexão causa uma distorção detectável das imagens de galáxias distantes, análoga à distorção de uma cena distante vista através de uma janela ruim ou refletida em um lago ondulado. A força da distorção pode ser usada para medir a força da gravidade dos objetos em primeiro plano e, consequentemente, a sua massa. Se estiverem disponíveis medições de distorção para um número suficientemente grande de galáxias distantes, elas poderão ser combinadas para fazer um mapa de toda a massa do primeiro plano.
Essa técnica já produziu medições precisas da massa típica associada às galáxias em primeiro plano, bem como mapas de massa para vários aglomerados de galáxias individuais. No entanto, sofre de algumas limitações fundamentais. Mesmo um grande telescópio no espaço pode ver apenas um número limitado de galáxias de fundo, um máximo de cerca de 100.000 em cada pedaço do céu do tamanho da Lua Cheia. Medições de cerca de 200 galáxias devem ser calculadas em conjunto para detectar o sinal de distorção gravitacional, de modo que a menor área para a qual a massa pode ser visualizada é de cerca de 0,2% da da Lua Cheia. As imagens resultantes são inaceitavelmente desfocadas e granuladas demais para muitos propósitos. Por exemplo, apenas os maiores pedaços de matéria (os maiores aglomerados de galáxias) podem ser vistos em tais mapas com alguma confiança. Um segundo problema é que muitas das galáxias distantes cuja distorção é medida estão na frente de muitos pedaços de massa que alguém gostaria de mapear e, portanto, não são afetadas por sua gravidade. Fazer uma imagem nítida da massa em uma determinada direção requer fontes mais distantes e requer muito mais delas. Os cientistas da MPA, Ben Metcalf e Simon White, mostraram que as emissões de rádio que chegam até nós da época anterior à formação das galáxias podem fornecer essas fontes.
Cerca de 400.000 anos após o Big Bang, o Universo esfriou o suficiente para que quase toda a sua matéria comum se transformasse em um gás difuso, quase uniforme e neutro de hidrogênio e hélio. Algumas centenas de milhões de anos depois, a gravidade havia amplificado as não uniformidades ao ponto em que as primeiras estrelas e galáxias podiam se formar. Sua luz ultravioleta aqueceu o gás difuso novamente. Durante esse reaquecimento e por um longo período antes, o hidrogênio difuso era mais quente ou mais frio do que a radiação que restava do Big Bang. Como resultado, deve ter absorvido ou emitido ondas de rádio com um comprimento de onda de 21 cm. A expansão do Universo faz com que essa radiação seja visível hoje em comprimentos de onda de 2 a 20 metros, e vários radiotelescópios de baixa frequência estão sendo construídos para procurá-la. Um dos mais avançados é o Low Frequency Array (LOFAR), na Holanda, um projeto no qual o Instituto de Astrofísica Max Planck planeja assumir um papel significativo, juntamente com várias outras instituições alemãs.
O hidrogênio pregalático tem estruturas de todos os tamanhos, que são os precursores das galáxias, e existem até 1000 dessas estruturas em diferentes distâncias ao longo de cada linha de visão. Um radiotelescópio pode separá-los porque estruturas a diferentes distâncias emitem sinais em diferentes comprimentos de onda observados. Metcalf e White mostram que a distorção gravitacional dessas estruturas permitiria que um radiotelescópio produzisse imagens de alta resolução da distribuição de massa cósmica, que são dez vezes mais nítidas do que as melhores possíveis com distorções de galáxias. Um objeto semelhante em massa à nossa Via Láctea poderia ser detectado desde o tempo em que o Universo tinha apenas 5% de sua idade atual. Essa imagem de alta resolução requer um conjunto de telescópios extremamente grande, cobrindo densamente uma região com cerca de 100 km de diâmetro. Isso é 100 vezes o tamanho planejado para a parte central do LOFAR densamente coberta e cerca de 20 vezes maior do que o núcleo densamente coberto do Square Kilometer Array (SKA), a maior instalação desse tipo atualmente em discussão. Tal telescópio gigante poderia mapear toda a distribuição de massa gravitacional do Universo, fornecendo o mapa de comparação final para imagens produzidas por outros telescópios que destacam apenas a pequena fração da massa que emite radiação que podem detectar.
No entanto, não precisamos esperar que o telescópio gigante obtenha resultados incomparáveis. Uma das questões mais prementes da física atual é entender melhor a misteriosa energia escura que atualmente impulsiona a expansão acelerada do universo. Metcalf e White mostram que mapas de massa de uma grande fração do céu feitos com um instrumento como o SKA poderiam medir as propriedades da Energia Escura com mais precisão do que qualquer método sugerido anteriormente, mais de 10 vezes mais precisamente que mapas de massa de tamanho semelhante, com base na gravidade. distorções das imagens ópticas das galáxias.
Fonte original: Comunicado de imprensa do Instituto Max Planck de Astrofísica
