A project of the Dark Energy Survey collaboration

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The best of the best

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Second Lieutenant, Jake Jenson. West Point. Graduate with honors. We’re here because you are looking for the best of the best of the best, sir! —Men in Black

The clearest skies give the best images and provide the best clues to cosmic expansion

Scroll down through these Dark Energy Detectives case files, and you’ll see beautiful images of galaxies taken with the Dark Energy Camera. While they come in different shapes, sizes, and colors, these galaxies all have one thing in common: they’re all speeding away from our own Milky Way, at speeds of tens to hundreds of millions of miles per hour. The Universe is expanding, something we’ve known for nearly 90 years.

If we could track the speeds of each of these galaxies over time, what would we find: would they stay the same, speed up, or slow down? Since the Milky Way’s gravity tugs on them, Isaac Newton would have told us they would slow down over time, just as an apple thrown straight up in the air slows down (and eventually falls) due to the pull of Earth’s gravity. But Isaac would have been wrong, the galaxies are getting faster, not slower. The expansion of the Universe is speeding up, something we’ve known for only 17 years. The 300 detectives of the Dark Energy Survey (DES) are embarked on a five-year mission to understand why this is happening. In this quest, they’re carrying out the largest survey of the cosmos ever undertaken.

While these goals sound lofty and profound (and they are), at its core DES is really about taking pictures. Lots of them. On a typical night, DES detectives snap about 250 photos of the sky. After five years, we’ll have over 80,000 photos in our album. For each snapshot, the camera shutter is kept open for about a minute and a half to let in enough light from distant galaxies. On each image, you can count about 80,000 galaxies. When we put them all together, and accounting for the fact that we’ll snap each part of the sky about 50 times, that adds up to pictures of about 200 million galaxies, give or take.

One of the ways we’ll learn about dark energy—the putative stuff causing the universe to speed up—is by measuring the shapes of those 200 million galaxies very precisely and comparing them to each other. Imagine taking photos of 200 million people, roughly one out of every 35 people on Earth, to learn about the diversity of the human race. To gain the most information about our species, you will want all of your photos to be taken by a professional photographer under identical conditions conducive to getting the best image: good lighting, camera perfectly in focus, no jiggling of the camera or movement of your human subject during the exposure, etc. But inevitably, with 200 million photos, given the vagaries of people and circumstance, some photos will come out better than others. In some, the subject may be a bit blurred. In others, there may be too much or too little background light to see the person clearly.

In the Dark Energy Survey, we’re striving to get the best, clearest snapshots of these 200 million galaxies that we can. As professional photographers of the night sky (a.k.a. astronomers), we’re using the best equipment there is—the Dark Energy Camera, which we built ourselves—to do the job. The camera has 570 Megapixels and 5 large lenses. It has a sophisticated auto-focus mechanism to always give us the crispest images possible.

No need for a flash, since galaxies burn with the light of billions of suns.

But as with human photography, Nature doesn’t always cooperate. The Dark Energy Camera is mounted on the Blanco telescope, located at Cerro Tololo in the Chilean Andes. This site has mostly very clear nights, but occasionally, clouds roll by. Turbulence in the atmosphere, which makes stars twinkle, leads to a slight blurring of the images of stars and galaxies, even if the camera is in perfect focus. The camera works by taking pictures of all the light that reflects off the 4-meter-diameter mirror of the telescope. If a cold front moves through, making the air in the telescope dome cooler than the 15-ton mirror, plumes of hot air rising off the mirror lead to blurry images. The sharpest images are those taken straight overhead—the further away from straight up that we point the telescope, the more atmosphere the light has to pass through, again increasing the blurring; since our survey covers a large swath of the sky, we cannot always point straight up. Strong wind blowing in through the open slit of the dome can cause the telescope to sway slightly during an exposure, also blurring the picture. Since the Earth rotates around its axis, during an exposure the massive telescope must compensate by continuously, very smoothly moving to stay precisely locked on to its target; any deviation in its motion will—you guessed it—blur the image.

For all these reasons and others, the quality of the DES images varies. On some nights, conditions conspire to give us very crisp images. On others, the images are a bit more blurred than we’d like, making it harder to measure the shapes of those distant galaxies. If an image is too blurred, we don’t include it in the album: we’ll come back another night to take a photo of those particular galaxies. So far, about 80% of the photos we’ve taken have been good enough to keep.

Most nights during our observing season, we have three detectives operating the camera; each of us is there for about a week, and in the course of a season about 50 detectives rotate through, taking their “shifts.” On the night of January 27, 2015, I was in the middle of my week-long observing shift at the telescope with two fellow detectives, Yuanyuan Zhang from the University of Michigan and Andrew Nadolski from the University of Illinois at Urbana-Champaign. That night, Andrew was manning the camera, I was checking the quality of the images as they were taken, and Yuanyuan was our boss.

The conditions that night were outstanding. Although it was a bit humid, the atmosphere was extremely smooth and stable. We were mainly taking pictures using filters that let in only very red or near-infrared light. This was because the moon was up, and the moon is actually quite blue: red filters block most of the moonlight that scatters off the atmosphere from entering the camera, enabling us to see red galaxies against the dark night sky. In his famous photograph “Monolith, the Face of Half Dome” taken in Yosemite National Park, Ansel Adams used a red (but not infrared) filter to darken the blue daytime sky to dramatic effect.

At 12:28 am local time, we snapped exposure number 403841, using a near-infrared filter called the z-band. The z-band is so red that it’s beyond the visible spectrum that can be seen by the human eye, but digital cameras, and the Dark Energy Camera in particular, are very sensitive to near-infrared light. Computers at the telescope analyze each image right after it’s taken and display the results on a bank of monitors, so we can tell whether we’re taking data that passes muster for our cosmic album. When 403841 came out, the screen showed that it was an exceptionally sharp image. Further analysis convinced us that it was in fact the sharpest image of the roughly 35,000 snapshots that DES has taken so far, going back two years to the beginning of the survey.

The image was so sharp that the light from each star was spread out over only about 0.6 seconds of arc or about 0.00017 degrees. For comparison, that’s how big a crater a kilometer across on the surface of the moon looks from Earth. It’s also the angular size of a typical human hair seen at a distance of about 100 feet.

A small portion of the 403841 image is shown above in false color, showing a great spiral galaxy plus a number of smaller, fainter galaxies and a few bright stars in our own Milky Way. The star inside the red circle at the lower right of the image has its light spread out over only 0.6 arc seconds. While not as pretty as the color images of galaxies in other DED case files, this is closer to what a raw image directly from the camera looks like. The raw DES digital images are sent for processing to the National Center for Supercomputing Applications in Urbana-Champaign, Illinois (if you’re under 40, ask your parents if they remember sending film out for processing), to make them science-ready for our fellow DES detectives.

In DES, we keep a “bragging rights” web page of the sharpest images we have taken in each of the five filters we use. Our friend 403841 is now prominently displayed there—the best of the best. But the best thing about records is that they’re made to be broken.

 

–Det. Josh Frieman [Fermilab and the University of Chicago]

N.B.: we just completed a Reddit AMA on Friday, Jan 30, where we discussed the cases and evidence for dark energy and dark matter.

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Bailando en la oscuridad

 

“Trabaja como si no te hiciera falta el dinero. Ama como si nunca te hubieran hecho daño. Baila como si nadie te observara” – Satchel Paige

Un surtido de cuerpos celestes, grandes y pequeños, bailan toda la noche al son de la silenciosa tonadilla de la gravedad. En la oscuridad que yace más allá de Neptuno, esta compañía de objetos del cinturón de Kuiper (KBOs, por sus siglas en inglés), ha estado bailando como si nadie les observara, hasta ahora.

Es un baile pausado, lento, puesto que los objetos del cinturón de Kuiper tardan siglos en completar una sola órbita. Estos KBOs, cada uno de ellos de unos pocos cientos de kilómetros de tamaño, han sido descubiertos por DES durante los últimos dos años y medio (uno de ellos, fue descrito aquí anteriormente). Imagina que no sabes nada acerca de la gravedad. ¿Qué deducirías de un patrón así? ¿Cómo lo explicarías? Las leyes físicas que producen estos intrincados patrones, sin duda tienen que ser muy complejas ¿no es así?

Nuestros antepasados registraban las andanzas de los planetas noche a noche, estación a estación. Se dieron cuenta de que viajaban por el cielo a ritmos completamente dispares. A veces, parecían pararse para volver sobre sus pasos contra el mosaico celeste de estrellas fijas que servía como referencia para, al poco tiempo, retomar su viaje. Se desarrollaron modelos muy ingeniosos para dar cuenta de esta complicada danza. Pero fueron haciéndose progresivamente más enrevesados, y lo que es peor, empezaron a fallar en su descripción de nuevas observaciones que se hacían con cada vez mayor precisión.

Hicieron falta dos revoluciones científicas, la primera con Copérnico y después con Newton, para demostrar que el movimiento planetario puede ser explicado con una sencilla ecuación, la ley de la gravedad. El patrón oculto de pronto se aclaró.

La grácil pirueta que describe un KBO proviene de la combinación de dos tipos de movimiento. Su órbita, de siglos de duración, produce una deriva lenta hacia el este que lo arrastra aproximadamente lo que abarca la anchura de la cámara DECam en el cielo, cada año. Pero al estar observando estos objetos desde una plataforma móvil (¡la Tierra!) en su movimiento alrededor del Sol, observamos el KBO desde distintos puntos de vista. A veces a 150 millones de kilómetros de un lado del Sol, seis meses después desde 150 millones de kilómetros desde el otro lado y otras veces desde un punto intermedio. Esto resulta en un movimiento de ida y vuelta respecto al fondo de estrellas sobre el que se superpone el movimiento orbital del KBO. Para verlo tu mismo, simplemente extiende un dedo de tu mano delante tuya y observa cómo cambia de posición respecto a los objetos del fondo cuando mueves la cabeza.

La física intenta “destilar” el orden a partir de la complejidad, para explicar la vasta diversidad de fenómenos naturales, con un pequeño número de leyes sencillas. Más adelante, los físicos se dieron cuenta que la ley de la gravedad de Newton se quedaba corta en ciertas situaciones y fue superada por la teoría de la relatividad general de Einstein.

Hoy en día, la gravedad presenta un nuevo misterio para nuestra generación: ¿por qué se expande el universo aceleradamente? Quizás una nueva ley explique el misterio de la energía oscura con tanta elegancia y simplicidad como la ley de Newton explica el baile de los planetas. Y esa esperanza es la que mantiene a los Detectives de la Energía Oscura en pie, pacientemente escudriñando el cielo.

 

Det Dave Gerdes [Universidad de Michigan]

 

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Dançando no escuro

 

“Trabalhe como se não precisasse de dinheiro. Ame como se nunca tivesse sido magoado. Dance como se ninguém estivesse vendo.” – Satchel Paige

Todas as noites, um monte de objetos celestes – pequenos e grandes – dançam ao som da silenciosa melodia da gravidade. Na escuridão do espaço além de Netuno, um grupo de objetos do Cinturão de Kuiper (Kuiper Belt Objects, KBOs) dançam como se ninguém estivesse vendo – até agora.

Eles dançam lentamente, pois os objetos do Cinturão de Kuiper levam séculos para completar uma órbita. Esses KBOs, cada um com tamanho da ordem de centenas de quilômetros, foram descobertos pelo DES ao longo dos últimos dois anos e meio (um deles foi descrito nesse blog num post anterior). Vamos supor que você desconheça a existência da gravidade. O que você deduziria de um padrão como o apresentado no video? Como explicar isso? As leis que regem essas complicadas danças celestiais devem ser muito complicadas, certo?

Os povos antigos demarcavam o passeio dos planetas no céu de noite em noite e de estação em estação do ano. Eles perceberam que os planetas se moviam de uma maneira diferente: algumas vezes eles pareciam parar, virar, e se mover na direção contrária da abóboda celeste, até virarem novamente e seguirem seu rumo. Modelos engenhosos foram criados para explicar essa dança complicada. Mas eles se tornavam cada vez mais complicados, e pior, não conseguiam descrever observações mais modernas e precisas.

Duas revoluções científicas – primeiro com Copérnico e depois com Newton – foram necessárias para mostrar que o movimento planetário podia ser explicado por uma simples equação, a lei da gravitação. De repente o padrão obscuro ficou claro.

A pirueta graciosa executada pelos KBOs é produzida pela combinação de dois movimentos. A órbita centenária produz um lento deslocamento para leste que o leva ao longo de um campo da DECam por ano. Mas nós observamos esses objetos a partir de uma plataforma em movimento, o planeta Terra. A medida que a Terra segue em sua jornada em volta do Sol, observamos o KBO de diferentes perspectivas, algumas vezes a 150 milhões de quilômetros de distância de um lado do Sol, seis meses mais tarde, à mesma distância do outro lado do Sol, e em outras épocas de algum lugar entre estes dois extremos. O movimento resultante é um vai-e-vem relativo às estrelas distantes que servem como pano de fundo para a órbita do KBO. Para ter uma idéia melhor, enquanto gira sua cabeça de um lado para o outro, observe como a ponta do seu dedo se move em relação à objetos no fundo do seu campo de visão.

Um objetivo da Física é extrair ordem da complexidade, explicar uma grande variedade de fenômenos com um pequeno conjunto de leis simples. Com o tempo, físicos perceberam que a lei da gravitação de Newton falhava em algumas situações e precisava ser substituída pela Teoria da Relatividade Geral de Einstein.

Hoje em dia, a gravidade confronta nossa geração com um novo quebra-cabeça de grandes proporções: Por que a expansão do universo está acelerada ? Talvez alguma nova lei irá explicar o mistério da energia escura e a dança dos planetas com a mesma elegância e simplicidade. Essa é a esperança que mantém nossos detetives da energia escura olhando pacientemente para cima.

 

Det. Dave Gerdes [Universidade de Michigan]

Tradução: Det. Ricardo Ogando e Det. Flávia Sobreira

 

 

 

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Dancing in the dark

 

“Work like you don’t need the money. Love like you’ve never been hurt. Dance like nobody’s watching.”–Satchel Paige

To the silent tune of gravity, congeries of celestial objects – big and small – dance each night away. In the darkness beyond Neptune, this troupe of Kuiper Belt objects (KBOs) had been dancing like no one was watching – until now.

Their dance is a slow one, for Kuiper Belt objects take centuries to complete one orbit. These KBOs, each a few hundred kilometers in size, have been discovered by DES over the last two and a half years. (One of them was described here earlier.) Suppose you knew nothing about gravity. What would you make of a pattern like this? How would you explain it? The laws that give rise to such intricate celestial swirls must be incredibly complicated, right?

Ancient people marked the wanderings of the planets from night to night and season to season. They noticed that they moved across the sky at wildly different rates: sometimes, they appeared to stop, turn around, and move backwards against the canopy of fixed stars, before turning again and resuming their course. Ingenious models were developed to explain this complicated dance. But they became increasingly unwieldy, and even worse, failed to describe new and more accurate observations.

It took two scientific revolutions—first from Copernicus and then from Newton—to show that planetary motion could be readily explained by a single simple equation, the law of gravitation. The hidden pattern suddenly became clear.

The graceful pirouette executed by a KBOs arises from a combination of two motions. Its centuries-long orbit produces a slow eastward drift that carries it about the width of one DECam field of view per year. But we observe these objects from a moving platform, planet Earth. As the earth makes its journey around the sun, we observe the KBO from different perspectives, sometimes from 150 million kilometers on one side of the sun, six months later from 150 million kilometers on the other, and at other times from somewhere in between. This results in an annual back-and-forth motion relative to the distant stars that’s superimposed on the KBO’s own orbital motion. Watch how your fingertip moves against background objects when you move your head from side to side and you’ll get the idea.

Physics aims to distill order from complexity, to explain the vast array of natural phenomena with a small number of simple laws. Eventually, physicists learned that Newton’s law of gravitation fell short in certain situations and needed to be superceded by Einstein’s theory of general relativity.

Today, gravity confronts our generation with a new puzzle on the grandest of scales: Why is the expansion of the universe accelerating? Perhaps some new law will explain the mystery of dark energy with the as much elegance and simplicity as the dance of the planets. That’s the hope that keeps our dark energy detectives patiently looking up.

 

Det. Dave Gerdes [University of Michigan]

 

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Una sopa cósmica con fundamento

 

En lo más profundo del cosmos, entre las fuerzas oscuras y las energías que le dan vida, arde una llama sobre la que cuece… un caldo.

La historia de la expansión del universo está dominada por la materia y la energía oscura. Sin embargo, son los elementos cotidianos de la tabla periódica los que nos permiten estudiarlo y entender su historia. En esta entrada os proporcionamos una pizca de las ideas sobre cómo comenzó su existencia esta sopa cósmica de elementos.

Casi todos los elementos se crearon en la primera media hora tras el Big Bang. El potaje resultante resultó más bien soso: nueve núcleos de hidrógeno (un protón) por cada núcleo de helio (dos protones) y casi nada del resto. Incluso rebuscando entre mil millones de núcleos, tendrías suerte si encontraras algún sabroso litio de tres núcleos.

Afortunadamente, en los 13700 millones de años posteriores, las cosas se pusieron un poco más interesantes. La fusión nuclear, tan difícil de reproducir en la Tierra, es habitual en las estrellas. Gracias a ella existe el carbono de nuestras células y el hierro de nuestra sangre.

El sabor, densidad y temperatura de esta sopa de elementos varía considerablemente. Pensad en nuestro propio Sistema Solar: desde las presiones y temperaturas extremas del núcleo del Sol, hasta el frío vacío interplanetario. Estas variaciones se repiten por toda la Vía Láctea y en el resto de las galaxias.

Estos tres hechos, que la mayoría de los elementos se crearon poco después del Big Bang, que el universo se enriqueció después y la enorme variabilidad de condiciones para dichos elementos, suponen una gran ventaja para el proyecto Dark Energy Survey.

Tomad como ejemplo los cúmulos de galaxias, como los que aparecen en la presentación que encabeza esta entrada (y descritos con más detalle más abajo). Estas estructuras son tan enormes, que pueden considerarse “mini-universos” por derecho propio. Los cúmulos contienen varias docenas de galaxias, a veces cientos. Entre ellas existe un velo de gas tenue.

Tanto el gas como las galaxias están atrapadas dentro de los confines del cúmulo por la materia oscura. Podría decirse que la materia oscura actúa como la tapa de una cacerola. Así como la tapa evita que se evapore todo el agua, la materia oscura evita que las galaxias, muchas de las cuales se mueven a más de un millón de kilómetros por hora, se dispersen.  Sin embargo, en las fronteras de los cúmulos de mayor tamaño, la energía oscura empieza a competir seriamente con la gravedad, y algunas de las galaxias se ven arrancadas de su cúmulo original. Esta competición entre energía oscura y gravedad a estas escalas es lo que convierte a los cúmulos en magníficas sondas para explorar la energía oscura.

Las partículas de gas se hallan tan calientes que los electrones (cargados negativamente) y los núcleos (cargados positivamente) se separan convirtiendo el gas en un plasma. Éste brilla con intensidad en la zona de los rayos X en el espectro electromagnético, que puede ser detectado por satélites como XMM-Newton y Chandra. El plasma también crea una sombra en el Fondo Cósmico de Microondas (el pulso de luz emitido en todas direcciones unos pocos cientos de miles de años después del Big Bang), de manera que también puede detectarse por radiotelescopios como el South Pole Telescope.

Por contra, los elementos atrapados en las estrellas se hallan mucho más fríos, y a densidades muy superiores, y brillan con fuerza con luz visible. La luz de las estrellas no sólo permite detectar cientos de miles de cúmulos, sino también medir la distancia a los mismos (a través de una técnica conocida como desplazamientos al rojo fotométricos), y hacer estimaciones preliminares de sus masas. Estos valores de masa han de ser refinados antes de poder usar estos cúmulos para hacer cosmología, y la información del plasma de los telescopios de rayos X y radio es esencial para eso.

En la presentación de arriba mostramos varios ejemplos de los cientos de cúmulos registrados por el Dark Energy Survey que han sido observados también por el muestreo de cúmulos de XMM-Newton. La intensidad de la emisión del plasma caliente se indica con los contornos rojos. Los especialistas en rayos X trabajan con ambos conjuntos de datos (luz visible y rayos X) para calibrar las masas de los cúmulos del Dark Energy Survey.

Por último, ¿por qué decimos en el título con “fundamento”? Bueno, resulta que “fundamento” es sinónimo de “quintaesencia”, y este es el término adoptado por los cosmólogos como palabra comodín para referirse a las teorías que permiten una variación en el tiempo en las propiedades de la energía oscura.

 

Detective Kathy Romer [Universidad de Sussex]

Imagen: Detectives Phil Rooney [Universidad de Sussex] y Chris Miller [Universidad de Michigan].

Traducción: Nacho Sevilla

 

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Sopa cósmica para a alma

 

Cercado por forças e energias ocultas aos olhos mas que trabalham ativamente no cosmos, um fogo arde… fervendo uma sopa.

A história de expansão do Universo é dominada pela matéria escura e energia escura. Entretanto, são os elementos na tabela periódica que nos permitem estudar e compreender essa história. Nesse artigo damos um gostinho de como a sopa cósmica de elementos surgiu.

Quase todos os elementos apareceram dentro dos primeiros 30 minutos após o Big Bang. O caldo resultante era um pouco “insosso”: 9 núcleos de hidrogênio (um próton) para um núcleo de hélio (dois prótons) e quase mais nada do resto. Você teria que caçar muito, através de bilhões de núcleos, para encontrar um delicioso “naco” de lítio (três prótons).

Felizmente, ao longo dos últimos 13,7 bilhões de anos, a sopa cósmica levou um pouco mais de tempero. A fusão nuclear – tão inatingível na Terra – é corriqueira nas estrelas: temos que agradecer à fusão nuclear pelo carbono em nossas células, pelo ferro em nosso sangue.

O sabor, densidade e temperatura da sopa de elementos varia bastante. Veja o nosso sistema Solar por exemplo: das pressões e temperaturas extremas no núcleo do Sol, ao frio e o vazio do espaço que cerca os planetas. Essas variações se repetem por toda a Via-Láctea e em todas as outras galáxias no universo também.

Esses três conceitos – que todos os elementos se formaram logo após o Big Bang; que uma pequena quantidade de elementos pesados foi adicionada deste então; e que os elementos são distribuídos de forma heterogênea – são de grande utilidade para o Dark Energy Survey.

Veja por exemplo os aglomerados de galáxias, como os que estão no video acima (e descrito em detalhes mais tarde). Essas estruturas são tão grandes que podem ser consideradas mini Universos. Aglomerados contem várias dezenas de galáxias, às vezes até centenas. No espaço entre as galáxias habita uma tênue neblina de gás.

Tanto o gás quanto as galáxias estão presas dentro das fronteiras do aglomerado pela matéria escura. A matéria escura atua como a tampa em uma panela, assim como a tampa impede que a água na panela evapore toda rapidamente, a matéria escura impede as galáxias – as quais estão se movendo a milhões de quilômetros por hora – de fugir. Entretanto, nas bordas dos maiores aglomerados, a energia escura compete com a gravidade e as galáxias começam a escapar. É essa interação entre gravidade e energia escura que faz com que aglomerados de galáxias sejam tão úteis para estudos cosmológicos.

As partículas do gás em aglomerados são tão quentes que elétrons (carga negativa) e núcleos (carga positiva) são separados um do outro (opostos se atraem) – essa forma de gás é conhecida como plasma. O plasma brilha intensamente na parte do espectro eletromagnético conhecida como raio-X e pode ser detectada por satélites como XMM-Newton e Chandra. Esse plasma também produz uma sombra sobre a Radiação Cósmica de Fundo (um pulso de luz emitido por todo o Universo uns cem mil anos após o Big Bang), o que significa que ele também pode ser detectado em radio-telescópios tais como o South Pole Telescope.

Diferentemente do gás, os elementos presos em estrelas são mais frios, e em densidades muito maiores, emitem luz visível. A luz das estrelas permite que o Dark Energy Survey não apenas detecte milhares de aglomerados, mas também meça suas distâncias (através de uma técnica conhecida como “desvio para o vermelho fotométrico”), e faça uma primeira estimativa de suas massas. Essas massas precisam ser refinadas antes de serem usadas em estudos cosmológicos, e observações do plasma feitas por telescópios no raio-X e rádio são fundamentais para isso.

No vídeo acima mostramos alguns exemplos das centenas de aglomerados do Dark Energy Survey que também foram observados pelo levantamento XMM-Newton Cluster Survey. A intensidade da emissão em raio-X vinda do plasma quente é indicada pelos contornos vermelhos. Especialistas em raio-X estão trabalhando com esses dois conjuntos de dados para calibrar as massas dos aglomerados do Dark Energy Survey.

Finalmente… porque “para a alma”? Bom, “alma” pode ser um sinônimo de “quintessência”, e a Quintessência foi um termo adotado por muitos cosmólogos para descrever genericamente teorias que permitem que as propriedades da Energia Escura varie com o tempo.

Det. Kathy Romer [Universidade de Sussex]

Créditos da Imagem: Det.’s Phil Rooney [Universidade de Sussex] e Chris Miller [Universidade de Michigan]

Trad. Det. Ricardo Ogando

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Cosmic soup for the soul

 

Amidst the dark forces and energies at work across the cosmos, a fire brews, a soup simmers.

The expansion history of the Universe is dominated by dark matter and dark energy. However, it is the elements in the periodic table that allow us to study and understand that history. In this posting we give a flavor for how the cosmic soup of elements came into existence.

Almost all the elements came into existence within 30 minutes of the Big Bang. The resulting broth was rather dull: 9 hydrogen nuclei (one proton) to every helium nucleus (two protons) and almost nothing of anything else. Even if you sifted through a billion nuclei you’d still be lucky enough to find anything as tasty as lithium (three protons).

Fortunately, over the intervening 13.7 billion years, the cosmic soup has become a little more interesting. Nuclear fusion – so hard to reproduce on Earth – is common place in stars: we have fusion to thank for the carbon in our cells, to the iron in our blood.

The flavor, density and temperature of the element soup varies widely. Consider our own Solar system: from the extreme pressures and temperatures inside the Sun’s core, to the cold and empty space between the planets. These variations are replicated throughout the Milky Way and in all the other galaxies in the universe.

These three concepts – that most elements were formed just after the Big Bang; that a smattering of heavier elements have been added since then; and that the elements are distributed non-uniformly – are of great benefit to the Dark Energy Survey.

Take for example clusters of galaxies, like those in the slideshow above (described in more detail later). These structures are so enormous that they can be considered to be mini Universes in their own right. Clusters contain several dozen galaxies, and sometimes as may as several hundred. In between the galaxies is the continuous haze of tenuous gas.

Both the gas and the galaxies are trapped within the confines of the cluster by dark matter. The dark matter acts like the lid on a sauce pan, where the lid stops the pan boiling dry, the dark matter stops the galaxies – which are moving at more than a million miles per hour – from flying away. However, at the outer edges of the very largest clusters, dark energy competes with gravity and the galaxies are starting to be peeled away. It is this interplay of gravity and dark energy that make clusters such useful cosmological probes.

The particles in the gas are so hot that electrons (negatively charged) and nuclei (positively charged) are stripped apart – this form of gas is known as a plasma. The plasma shines brightly in the X-ray part of the electromagnetic spectrum and can be detected by satellites such as XMM-Newton and Chandra. The plasma also casts a shadow on the Cosmic Microwave Background (a pulse of light that was emitted throughout the Universe one hundred thousands years after the Big Bang), meaning it can also be detected with shortwave radio telescopes such as the South Pole Telescope.

By contrast, the elements trapped in the stars are cooler, and at much higher densities, and shine in visible light. Starlight allows the Dark Energy Survey to not only to detect hundreds of thousands of clusters, but also to measure their distances (via a technique known as photometric redshifts), and to make a first estimate of their masses. Those masses need to be refined before we can use the clusters for cosmology, and information of the plasma from X-ray and radio telescopes is essential for that.

In the slideshow above we show several examples of the hundreds of Dark Energy Survey clusters that have also been observed by the XMM-Newton Cluster Survey. The intensity of the X-ray emission coming from the hot plasma is indicated by the red contours. X-ray specialists are working with these two datasets to calibrate the masses of Dark Energy Survey clusters.

Finally… why “for the soul”? Well “soul’’ happens to be a synonym for “quintessence”, and Quintessence has been widely adopted by cosmologists as a catch all term to describe theories that allow for a time variation in the properties of Dark Energy.

 

Det. Kathy Romer [University of Sussex]

Image Credit: Det.’s Phil Rooney [University of Sussex] and Chris Miller [University of Michigan]