A project of the Dark Energy Survey collaboration

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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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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]


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巡天遥看一千河

地球相对于天空来说,约每24小时自转一周。地球上的我们也因此做到了“巡天”的旋转木马上。

每到傍晚,离我们最近的恒星,太阳,就会撤走遮天幕地的光芒。呈现给我们的将是一闪一闪宛如跳舞般的星光——那些古老遥远的星系和星星遍布了整个夜空。傍晚之后的几个小时给予我们机会细致观察笼罩着地球的点点星光,直到天色微曦,我们再次沐浴到阳光下。白天的时候,满天星斗依然存在,但强烈的阳光让我们几无可能观察到它们。一直到夕阳西下,那些跳舞般闪亮的星系和星星准时回到夜幕这张大舞台上,星空再次出现。

我们的整个太阳系都是银河星系的一部分。银河系呈盘状,其中的星星和气体物质又组成了银心和旋臂。我们的地球作为附属于太阳的一个淡蓝色小点,住在银河系的郊区,银盘的二分之一处。当地球日复一日的自转时,银河系也在缓慢的旋转,但银河系的旋转周期要比地球长的多。

在天空日复一日,夜复一夜的旋转中,银河系的平面也和其他星系、星星一起一遍遍经过我们上方的天空。当我们从伸手不见五指的帕穹山(Cerro Pachon)山顶向天空望去的时候,我们可以看到银河系的平面,看到银河系中心所在的方向。

在本页的视频中,相机经南由东向西移动,整晚每隔三十秒进行一次拍摄。地球的自转轴经过南极点,所以我们可以看到天空绕着向南的方向旋转:银河系的一边先落下,然后在这个十月凌晨一点的时候,另一边开始升起。

晚上好,欢迎和我们一起,“巡天”遥看一千河。

作者:暗能量侦探 B · 诺德 (B. Nord)

视频制作:暗能量侦探 · 诺德 (B. Nord)

翻译:暗能量侦探 张Y Y. Zhang

翻译编辑:暗能量侦探 李T T. Li

备注:

  1. 本博文引用的视频设制于帕穹山。其时,作者正在使用双子南座望远镜(坐落于帕穹山,Cerro Pachon)为暗能量巡天所发现的伴有强引力透镜现象的星系团进行后续观测,并非用布兰科望远镜(托洛洛山,Cerro Tololo)进行暗能量巡天项目的直接观测。 帕穹山和 托洛洛山的地理位置极其接近。
  2. 翻译的博文标题取自毛泽东《送瘟神》。

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As the sky turns: the fall and rise of the Milky Way

 

We are swept up in a cosmic merry-go-round.

Earth spins relative to the sky – about one revolution every 24 hours.

After twilight, our nearest star, the Sun removes its warm blanket of light, revealing the dancing lights overhead: collections of aeons-old galaxies and constellations of distant stars fill the night sky. For some precious hours, we have exquisite access to these pinpricks and smudges of light that have always swirled overhead – until we bask again in the Sun’s rays. During the day, all blinking tapestry is still above us, but the Sun washes out any hope of seeing it. Again, after dusk, familiar patterns fill the sky, as the dancers return like clockwork to their positions on the celestial stage.

Our entire solar system resides in a galaxy, the Milky Way. The Galaxy’s structure includes spiral arms and a disk of stars and gas: our pale blue dot, tethered to the Sun, is nestled in the suburbs, halfway to the edge of the Galactic disk. As we turn from day to night to day, the Galaxy itself also spins (over much longer periods than Earth’s day).

During the course of our daily/nightly sweep of the heavens, just as the stars and galaxies move across our sky, so does the disk of Milky Way. When we look up from the dark mountain tops of Cerro Pachon, we look into the plane of the Milky Way, into the heart of our Galaxy.

In the video above, the camera rotates from East to West through South – taking a picture every 30 seconds over the course of the night. Earth’s axis goes through the South pole, so we see the sky spin about that point: one side of the Milky Way sets, and by 1am on this October night, another side begins to rise.

Good night, and keep looking up,

Det. B. Nord

 

 

 


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Virando a noite mundo afora

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Semana passada, detetives do DES fizeram ações coordenadas em vários continentes para reunir evidências de como o tecido do espaço-tempo está se expandindo.

Em Sussex, Inglaterra, cerca de 100 detetives se encontraram para discutir o estado atual e futuro do levantamento sendo conduzido no telescópio Blanco, localizado em Cerro Tololo, Chile. Nesse encontro semestral da colaboração (sempre em um lugar diferente), continuamos a planejar novas estratégias para “enquadrar” a evolução do espaço-tempo e energia escura: na verdade, enquanto escrevo essas linhas, vários resultados preliminares estão se preparando para vir a público.

Enquanto isso em Cerro Tololo, um time de observadores operava a Câmera da Energia Escura (DECam) no telescópio Blanco, caminhando em direção ao fim da segunda temporada de observações do levantamento. Cada temporada vai de Agosto a Fevereiro, aproveitando o verão Chileno.

No Telescópio Anglo-Australiano no Observatório Siding Spring na Australia, temos o lar do Levantamento OzDES – um projeto para obter medidas de distâncias altamente precisas de objetos descobertos pelo DES, tais como supernovas e aglomerados de galáxias. Essas “diligências” fora do DES são importantes para ajudar a montar o perfil da energia escura.

Já em Cerro Pachon, ao lado de Cerro Tololo, dois agentes começaram a procurar por evidências de desvios no espaço-tempo, usando o Telescópio Gemini Sul (@GeminiObs). Foram seis noites de trabalho para medir com grande acurácia a distância de sistemas de lentes gravitacionais fortes. Esses sistemas são galáxias ou grupos de galáxias que tem massa o suficiente para distorcer o tecido do espaço-tempo. A distorção é tão grande que raios de luz provenientes de galáxias e quasares que estão atrás desses sistemas se curvam. O resultado em imagens da DECam é a aparição de múltiplas fontes ou fontes distorcidas, tal qual em uma lente óptica. Nos próximos relatórios apresentaremos mais detalhes sobre essas evidências.

Nesse meio tempo, supercomputadores do Centro Nacional de Aplicações de Supercomputação (NCSA) estão processando na calada da noite (e do dia) os dados da DECam, transformando imagens em dados refinados – prontos para a análise dos times científicos.

A imagem acima não mostra nenhuma forte evidência de lentes fortes, mas é um exemplo do exemplar conjunto de evidências que o DES continua a acumular a cada noite.

Eis as posições de algumas das galáxias acima. Que informações você pode levantar sobre elas? Existem várias ferramentas na internet que podem te auxiliar nessa investigação (por exemplo, http://ned.ipac.caltech.edu/forms/nearposn.html; tome cuidado com o formato das posições ao entrar, use como abaixo). Tuíte seus achados para nossos agentes em @darkenergdetec, e podemos comparar nossas anotações.

RA: 304.3226d,    Dec: -52.7966d

RA: 304.2665d,    Dec: -52.6728d

RA: 304.0723d,     Dec: -52.7044d

 

Boa noite, e olho vivo,
Det B. Nord

Imagen: Det M. Murphy

Tradução: Det. Ricardo Ogando