A matéria no Universo não é distribuída aleatoriamente. Galáxias, quasares e gás intergaláctico formam um padrão que tem sido comparado a bolhas de sabão – grandes vazios envolvidos por finas paredes de galáxias, com densos aglomerados de galáxias onde as paredes se interceptam. Um dos principais objetivos do SDSS é mapear esta estrutura de forma bem detalhada, até grandes distâncias. Cientistas têm muitas teorias sobre como o Universo evoluiu, sendo que essas teorias predizem estruturas em larga escala diferentes para o universo. O mapa do SDSS pode nos dizer quais teorias estão certas – ou se teremos de desevolver idéias inteiramente novas.

Aglomerados de Galáxias

Galáxias são geralmente encontradas próximas umas das outras, em aglomerados de galáxias. A distribuição dessas galáxias e como esta distribuição evolui com o tempo são testes importantes de modelos cosmológicos: por exemplo, diferentes modelos cosmológicos predizem números diferentes de aglomerados de galáxias para diferentes redshifts. Além disso, não apenas as galáxias se aglomeram; os aglomerados também se aglomeram! O grau com que tanto as galáxias quanto os aglomerados tendem a se agrupar constitui-se também em um teste para diferentes teorias. Através do estudo das massas, distribuições e evolução de aglomerados de galáxias, nós podemos aprender algo sobre a formação da massa no Universo, um objetivo fundamental da cosmologia.

Uma imagem óptica de um aglomerado de galáxias com um mapa de emissão de raio-X superposto.

Como os aglomerados de galáxias podem ser muito massivos (até 10¹⁴ vezes a massa do Sol), a gravidade deles é forte o suficiente para manter gás extremamente quente, com temperatura de milhões de graus. Esse gás radiação em comprimento de onda de raio-X, que pode ser observado por satélites de raio-X como Chandra, ROSAT, e XMM. Esses satélites têm mostrado que uma fração grande de aglomerados apresentam estrutura e movimentos internos complicados, o que indica que eles estão ainda em evolução. Além disso, observações de satélite têm mostrado que o gás que está emitindo raio-X forma a maior parte da massa visível em aglomerados, maior até do que a soma da massa de todas as galáxias. Esse é um resultado muito interessante – lembre-se que aglomerados de galáxias foram descobertos em regiões com alta densidade de galáxias e agora sabemos que galáxias não são mais do que uma pequena parte da massa total de aglomerados. Alguns astrônomos tem até mesmo sugerido que aglomerados sem galáxias também podem existir – apenas gigantescos amontoados de gás.

Aglomerados de galáxias possuem uma quantidade imensa de massa e a Teoria da Relatividade Geral diz que objetos massivos curvam a luz quando passa por eles, um fenômeno conhecido como lente gravitacional. O grau de deformação da luz causada por um aglomerado depende de sua massa total, de tal forma que através da medida do grau de deformação, podemos pesar os aglomerados. Estas medidas podem ser comparadas com outras estimativas de massa, como a quantidade de gás emissor de raio-X e as velocidades das galáxias no aglomerado. Com essas estimativas de massa, podemos calcular razões massa-luminosidade (M/L) para aglomerados. Esta razão nos permite estimar o bias, que nos diz como as galáxias estão distribuídas em relação ao resto da matéria. Razões M/L também ajudam a colocar restrições na massa total do Universo.

Se somarmos a massa das galáxias que podemos ver, mais a massa do gás emissor de raio-X que observamos, e compararmos com a massa total estimada para o aglomerado, descrobriremos que a maior parte da matéria se encontra em alguma outra forma! Essa massa extra é chamada matéria escura porque não emite luz. De fato, a maior parte do Universo parece ser composto de matéria escura, que não podemos ver diretamente, mas cuja existência inferimos através de sua gravidade. Cientistas têm diversas teorias sobre o que poderia ser a matéria escura, mas ninguém sabe com certeza. A descoberta da matéria escura é uma das maiores e mais intriguantes descobertas da última década.

Um aglomerado de galáxias muito distante, observado com o Telescópio Espacial Hubble. Observe a grande quantidade de galáxias vermelhas e velhas.

A maioria das galáxias elípticas e S0 são encontradas em aglomerados, sendo ainda mais presentes em aglomerados densos. Surpreendentemente, astrônomos não têm boas explicações de por que a maioria dos aglomerados contêm galáxias elípticas. Eles também possuem um entendimento não muito completo de como as galáxias evoluem nos aglomerados. Sabemos que existem aparentemente mais galáxias azuis em aglomerados conforme olhamos para trás no tempo, sugerindo que havia mais formação estelar antigamente. Ainda assim, também vemos aglomerados com número significativo de galáxias vermelhas e velhas mesmo em redshifts da ordem de 1, quando o Universo tinha apenas alguns bilhões de anos. Usando o SDSS, seremos capazes de estudar os tipos e massas de galáxias em milhares de aglomerados, muito mais do que já foi estudado até agora.

Superaglomerados

Superaglomerados são simplesmente aglomerados de aglomerados de galáxias. Enquanto aglomerados são tipicamente encontrados nos filamentos e paredes do Universo de "bolhas de sabão", superaglomerados são as intersecções das paredes. Superaglomerados são as maiores estruturas conhecidas no Universo, alguns com tamanho de 200.000.000 anos-luz! Entretanto, como essas estruturas são muito raras, poucas são conhecidas. O mais famoso superaglomerado está por perto, incluindo a Great Wall ("Grande Parede") e o superaglomerado de Perseus-Pisces. Recentemente, tem havido evidência de superaglomerados em redshifts da ordem de 1, o que impõe restrições importantes em modelos cosmológicos e de formação de estrutura. Além disso, as razões M/L de superaglomerados são semelhantes às de aglomerados. Esta descoberta implica que a misteriosa matéria escura não pode contribuir mais para a massa do Universo do que contribui para a massa de aglomerados.

Vazios

A imagem abaixo mostra a distribuição de 10.853 galáxias em uma pequena fatia do mapeamento principal do SDSS, juntamente com outras 486 "galáxias vermelhas luminosas", escolhidas para mapear estruturas em redshifts mais altos. Esta amostra constitui apenas 1% da quantidade final esperada de dados espectroscópicos! A rede do tipo bolha, com paredes, filamentos e vazios é claramente visível. A quantidade de espaço coberta por áreas vazias (vazios) é diferente para diferentes modelos cosmológicos; portanto, mapas precisos da estrutura em larga escala no Universo fornece pistas para o tipo de Universo em que vivemos.

A distribuição de galáxias em uma fatia do mapeamento espectroscópico do SDSS.  (A. Pope, JHU)