Gravidade e Patos

Se você olhar um mapa da distribuição de galáxias no Universo local, pode ficar surpreso em descobrir que as galáxias não parecem estar distribuídas uniformemente, mas se aglomeram entre si. No entanto, não é tão surpreendente que a distribuição de galáxias não seja uniforme; se fosse uniforme, o Universo estaria organizado como um gigantesco cristal. E nenhuma lei da Física conhecida levaria a um Universo cristalino.

A distribuição de galáxias em uma fatia do mapemaneto espectroscópico do SDSS

Para entender como as galáxias se aglomeram, considere uma distribuição de patos em um lago. Alguns patos vagam por si mesmo, mas a maioria deles, na maior parte do tempo, encontram-se em pequenos grupos de dois, três ou mais que tendem a andar juntos. Patos tendem a se aglomerar e esse aglomeração não é resultado do acaso. Eles tendem a querer ficar perto uns dos outros.

Como patos, galáxias se aglomeram não por acaso, mas porque querem ficar perto umas das outras. Claro que, ao contrário dos patos, galáxias não têm desejos; o que faz com que "queiram" ficar juntas é a força da gravidade. Como a gravidade é sempre atrativa, as galáxias serão atraídas entre si. Então, a medida que o Universo envelhece e evolui, você esperaria que galáxias se tornassem cada vez mais aglomeradas.

Aglomeração é entendida e medida em termos de estatística. Por exemplo, se um biólogo quer estudar o comportamento de aglomeração de patos, ele ou ela deve estudar muitos grupos de patos, em períodos de tempo diferentes e em diversos lagos. Se um astrônomo quer estudar a aglomeração de galáxias, ele ou ela deve ter um mapeamento sistemático muito grande - um mapa - de onde as galáxias se encontram. O Sloan Digital Sky Survey providenciará tal mapa.

Com o mapa do SDSS, astrônomos serão capazes de responder uma questão importante sobre a estrutura em larga escala do Universo: quão grande é a escala que se deve olhar para que a partir dela o Universo comece a parecer uniforme?

Astrônomos não ficaram muito surpresos ao descobrir que nossa própria galáxia, a Via Láctea, era um membro de um grupo de aproximadamente vinte galáxias. Eles também não ficaram surpresos ao descobrir que nosso grupo local era um membro de um aglomerado com algo em torno de duas mil galáxias. Mas quando se olhasse em escalas maiores, eles esperavam encontrar uma situação ordenada e sensata. Claro que eles não esperavam encontrar um Universo perfeitamente organizado como os gregos tinham imaginado, mas acreditavam que uma vez que olhassem para além da nossa vizinhança local, dentro de poucos centenas de milhões de anos-luz, as propriedades médias do Universo se tornariam previsíveis.

Aglomeração em três escalas crescentes: grupo, aglomerado e superaglomerado.

As Maiores Estruturas?

Mas quanto maior e mais profundo os mapeamentos do céu eram feitos nos anos 80 e 90, astrônomos se surpreenderam ao encontrar que havia aglomerados de aglomerados, ou superaglomerados, de galáxias que formavam paredes gigantescas e finas camadas que envolviam áreas grandes com bem poucas galáxias, chamadas de vazios. Na maior escala vista até agora, a distribuição de galáxias se parece com uma gigantesca espuma de bolhas de sabão.

Uma das questões básicas da astronomia hoje em dia é "qual é a maior estrutura do Universo?". Temos encontrado aglomerados e superaglomerados e agora até mesmo aglomerados de superaglomerados, mas existem superaglomerados de superaglomerados e por aí em diante? Em outras palavras, em qual escala as galáxias e aglomerados de galáxias estão distribuídas aleatoriamente?

Esta questão é importante para entender o nascimento e a evolução do Universo. Algumas das mais básicas predições das teorias do Universo primordial dizem respeito a quanta matéria estava inicialmente distribuída. Como a distribuição de galáxias vista hoje evoluiu dessa distribuição inicial, cohecer a distribuição em larga escala e a aglomeração de galáxias hoje em dia é um dos poucos testes que pode discernir as diferentes teorias do Universo primordial.

O Sloan Digital Sky Survey foi projetado para fazer de forma precisa essa medida fundamental. Observando sistematicamente uma larga área a grandes distâncias, cientistas devem ser capazes de medir a quantidade de aglomeração em todas essas escalas e usar esses resultados para restringir teorias do Universo primordial.

Ruído e Aglomerados de Galáxias

Mas se o SDSS provar que os astrônomos estão certos e o Universo for mesmo uniforme em escalas maiores, então por que as galáxias formam aglomerados e superaglomerados em escalas menores? A resposta a essa pergunta tem a ver com "processos aleatórios de ruído", que possui exemplos análogos no nosso dia-a-dia.

Exemplos de processos aleatórios de ruído incluem: o som de estática em um rádio velho, o som de uma cachoeira, a distribuição de ondas na superfície do mar. Em cada um desses casos, toda vez que você escuta ou olha, o que você ouve ou vê é diferente do que aquilo que você ouviu ou viu antes.Entretanto, é também óbvio que você está ounvindo a mesma cachoeira ou rádio e vendo o mesmo mar.

Em todos esses casos, as propriedades estatísticas dos sons ou das ondas são as mesmas. Tomando como exemplo o mar, embora a superfície da água esteja sempre mudando, a distribuição do número de ondas e suas alturas possuem propriedades médias bem definidas. Observando uma área bem grande de mar de uma vez ou uma pequena área por um longo tempo, você pode determinar as propriedades gerais das ondas.

Um espectro de potência mostra como ondas com diferentes comprimentos de onda contribuem como um todo. Processos aleatórios de ruído tornam-se visíveis em comprimentos de onda menores. Um espectro de potência como esse poderia ser utilizado para se analisar ondas do mar - ou a estrutura do Universo.

Os astrônomos que estão trabalhando com dados do Sloan Digital Sky Survey farão uma análise parecida na distribuição de galáxias revelada no seu mapa do Universo. Assim como as ondas em uma área do mar pode fornecer informações sobre a profundidade da água e a força do vento, a forma com que galáxias se aglomeram pode dizer aos cosmólogos muita coisa sobre como a matéria estava distribuída no Universo primordial e quais processos físicos tem atuado para mudar a aglomeração desde então.

Saber como as galáxias se aglomeram também pode fornecer aos cosmólogos informações sobre outras propriedades findamentais do Universo. Por exemplo, cosmólgos serão capazes de utilizar esses dados para medir a densidade do Universo, o que os ajudará a decidir, dentre as teorias de matéria escura, quais podem estar certas e vai permitir aos cosmólogos predizer o destino final do Universo.