HETDEX revela a mina de ouro da galáxia na primeira grande pesquisa

O Hobby-Eberly Telescope Dark Energy Experiment (HETDEX) escaneou os céus escuros das Montanhas Davis no oeste do Texas desde 2017 com um olhar atento para capturar dados espectroscópicos na frequência Lyman-alpha da emissão de hidrogênio neutro em galáxias com mais de 10 bilhões de anos-luz ausente. Essas galáxias emitem um comprimento de onda de luz característico do hidrogênio que sinaliza aos astrônomos a intensa criação de novas estrelas.

A colaboração HETDEX envolve uma grande equipe, incluindo astrônomos, engenheiros, técnicos e estudantes de pós-graduação de seis instituições acadêmicas nos Estados Unidos e na Alemanha.

Pela primeira vez, os pesquisadores catalogaram objetos astronômicos – mapeando mais de 51.863 galáxias emissoras de Lyman-alpha em alto desvio para o vermelho; 123.891 galáxias formadoras de estrelas em redshift inferior; 5.274 galáxias de linhas não-emissivas em baixo desvio para o vermelho; e 4.976 núcleos galácticos ativos (AGN) – pontos brilhantes que sinalizam a presença de buracos negros.

O artigo que descreve o catálogo foi publicado em fevereiro de 2023 em O Jornal Astrofísico.

“Acabamos de explodir em termos de número de redshifts catalogados pela primeira vez”, disse a coautora do estudo Erin Mentuch Cooper, cientista pesquisadora da Universidade do Texas em Austin (UT Austin). Cooper é o gerente de dados do projeto HETDEX.

“Existe uma mina de ouro de exploração astronómica no catálogo HETDEX. É isso que eu adoro,” disse o co-autor do estudo Karl Gebhardt, o Herman and Joan Suit Professor em Astronomia, Faculdade de Ciências Naturais, UT Austin. Gebhardt é cientista do projeto e investigador principal da HETDEX.

O desvio para o vermelho de uma estrela diz aos astrônomos o quão rápido uma estrela está se afastando da Terra porque sua frequência, semelhante à sua cor, diminui à medida que se afasta, como a buzina de um trem ao passar.

Quanto mais rápido uma estrela se afasta, mais longe ela está. Essa relação entre velocidade e distância, chamada Lei de Hubble, pode definir a localização de uma galáxia e permite aos astrônomos criar um mapa 3D de mais de 200.000 estrelas e galáxias com HETDEX.

“Esta é apenas uma pequena porcentagem do que vamos encontrar, mas é um bom começo. Em última análise, o HETDEX pretende mapear um milhão de galáxias com desvio para o vermelho”, disse Cooper.

O HETDEX é único em relação aos levantamentos anteriores do céu grande porque é um levantamento não direcionado, cobrindo o céu e coletando espectros dos 35.000 cabos de fibra óptica do Visible Integral Field Replicable Unit Spectrograph (VIRUS).

O VIRUS pega a luz das estrelas de galáxias distantes e divide a luz em suas cores componentes como um prisma faz. O HETDEX ladrilha o céu, coletando 35.000 espectros em uma faixa do céu do tamanho de uma lua e movendo-se de um ponto a outro. Ele coleta cerca de 500-600 horas de observações a cada ano para seus dados de pesquisa.

“Temos o maior instrumento espectroscópico do planeta e estamos fazendo uma das pesquisas mais longas em termos de tempo”, disse Gebhardt. “Para analisar esses dados, precisamos do computador mais rápido que pudermos, e é aí que entra o TACC. O TACC faz todo o armazenamento de dados e toda a análise de dados para essa pesquisa gigante”.

Os dados do telescópio vão direto para o sistema de armazenamento de dados TACC Corral por meio de linhas de alta velocidade a 100 Gigabits/segundo.

“O TACC trabalhou duro conosco para simplificar nosso sistema e está funcionando de forma fantástica. Podemos processar anos de dados em alguns dias, talvez uma semana em sistemas TACC. E fazemos isso várias vezes porque continuamos ajustando e melhorando nossos métodos”, acrescentou Gebhardt.

A HETDEX usou os supercomputadores Maverick e Stampede2 do Texas Advanced Computing Center, um importante centro acadêmico de supercomputação na UT Austin. O Stampede2 é financiado pela National Science Foundation como um recurso compartilhado por milhares de cientistas nos EUA. Eles ajudaram a processar e analisar cerca de 60 terabytes de dados de imagem no sistema Corral da TACC.

Além do mais, Cooper e seus colegas trabalharam com o TACC para criar o acesso público do JupyterHub aos dados.

“Qualquer pessoa com qualquer credencial acadêmica pode obter uma conta TACC e acessar nossos dados por meio de um navegador da web. Vamos permitir que eles acessem todos os nossos dados. Este é apenas o catálogo agora. Mas, o futuro está indo para oferecer um legado potencial da ciência da HETDEX. A TACC está ajudando a estabelecer isso”, disse Cooper.

Um destaque interessante do catálogo é a identificação de um núcleo galáctico ativo (AGN) com forte emissão de luz Lyman-alpha. Gebhadt foi coautor de um estudo conduzido pelo pesquisador de pós-doutorado em astronomia da UT Austin, Chenxu Liu, publicado em novembro de 2022 no The Astrophysical Journal. Apresenta evidências intrigantes de um buraco negro sem uma galáxia hospedeira circundante.

“Isso é o que eu chamo de ‘buracos negros nus'”, disse Gebhardt. “Nada confirmado ainda, mas suspeitamos que eles possam estar por aí. Somente uma pesquisa como a HETDEX será capaz de encontrá-los.”

A ciência gerada pelo HETDEX contribui para a compreensão da expansão de todo o universo, crescendo inesperadamente muito mais rápido do que o esperado com base em observações precisas do Telescópio Espacial Hubble em 2019 de supernovas que agem como um padrão cósmico.

O Santo Graal para HETDEX é uma medida precisa da taxa de expansão do Universo há 10 bilhões de anos, que revelará o modelo físico da energia escura.

Os astrônomos estão em desacordo sobre como explicar a medida da taxa de expansão atual. Compreendê-lo pode exigir uma modificação na teoria da gravidade ou uma mudança na teoria fundamental do Big Bang. Pode ser obra de uma partícula desconhecida.

Um valor preciso da taxa de expansão no início do Universo pode ser comparado à taxa de expansão atual. Essa comparação pode determinar se o Universo continuará a se expandir para sempre ou um dia entrará em colapso sobre si mesmo daqui a muitos bilhões de anos.

“O objetivo do projeto HETDEX é medir a expansão do universo”, disse Gebhardt.

“Este novo catálogo adiciona dados valiosos para finalmente responder à pergunta ‘milhões de galáxias’, algo em que a Colaboração HETDEX está trabalhando muito no próximo ano. Mas há um quadro maior aqui, e é isso que damos de volta à comunidade, não apenas para os cientistas de todo o mundo, mas para a comunidade em geral. Não poderíamos fazer este trabalho sem os recursos de supercomputação e especialistas da TACC, permitindo-nos o poder de computação para executar muitas análises dos dados e continuar a melhorar o processo.”