Da imagem ao mapa 3D: como o DESI transforma galáxias em distâncias cósmicas

Um mapa celeste pode parecer uma imagem muito detalhada do universo, mas uma imagem, por si só, não indica necessariamente a que distância está cada galáxia. Os DESI Legacy Imaging Surveys e o Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) desempenham funções diferentes e complementares: os primeiros reuniram imagens que permitem localizar objetos no céu; o segundo observa a luz de uma seleção desses objetos para obter informações sobre a sua distância e o seu movimento.

A ligação entre ambos ilustra a passagem de uma cartografia em duas dimensões para outra em três. O mapa situa os objetos no céu; as medições espectroscópicas do DESI fornecem informações para os ordenar também em profundidade. O NOIRLab apresentou o projeto em janeiro de 2021 como base para o levantamento do DESI. Os números abaixo descrevem esse mapa e o plano anunciado na altura, não uma contagem atualizada de todos os objetos celestes conhecidos.

Um mapa de imagens para localizar objetos

Os Legacy Imaging Surveys combinaram imagens obtidas no Observatório Nacional de Kitt Peak, no Arizona, e no Observatório Interamericano de Cerro Tololo, no Chile. O conjunto foi complementado com imagens do WISE, o telescópio espacial Wide-field Infrared Survey Explorer da NASA. O mapa resultante cobria metade do céu e reunia mais de mil milhões de galáxias.

A cobertura digital estendia-se por dez biliões de píxeis — 10¹² na escala numérica utilizada em espanhol. O projeto descreveu o mapa como o maior realizado até então, considerando conjuntamente a área do céu coberta, a sensibilidade e o número total de galáxias cartografadas. Não se tratava de uma única exposição: as imagens provinham de três levantamentos, MzLS, DECaLS e BASS, e de um esforço de seis anos que acumulou 1.405 noites de observação.

O volume de trabalho também dá uma ideia da dimensão do projeto: a nota do NOIRLab quantificou os dados em um petabyte e o processamento em cem milhões de horas de CPU. Em conjunto, essas imagens e o seu processamento permitiram preparar um catálogo para decidir que objetos observar depois com o DESI.

Selecionar alvos para o DESI

A função do mapa de imagens não era medir, por si só, as distâncias de todos os objetos. Servia para localizar candidatos e selecionar alvos para o levantamento espectroscópico. No plano descrito em 2021, a colaboração do DESI previa escolher 35 milhões de galáxias e 2,4 milhões de quasares. Segundo a nota, alguns desses objetos encontravam-se a distâncias de até 12 mil milhões de anos-luz.

Um quasar é um dos tipos de objetos incluídos na seleção do DESI; neste contexto, o importante é que tanto galáxias como quasares podem ser alvos das medições espectroscópicas. O mapa permitia identificá-los e orientar as observações para eles. Assim, o catálogo bidimensional funcionava como um guia para organizar o trabalho posterior, e não como substituto das medições que acrescentam a dimensão da profundidade.

O que acrescenta um espectro

Para obter um espectro, o DESI separa a luz de cada galáxia em bandas finas de cor. Segundo a descrição do projeto, a distribuição dessa luz permite à equipa medir distâncias e a velocidade a que as galáxias se afastam de nós. Ao associar essas medições à posição de cada objeto no mapa do céu, é possível construir uma representação tridimensional: sabe-se não só para que região olhar, mas também como os objetos se distribuem ao longo da profundidade cósmica.

O instrumento automatiza as observações através de 5.000 robôs orientáveis. Cada um transporta uma fibra ótica fina que pode ser apontada para uma galáxia individual; o sistema permite medir os espectros de até 5.000 galáxias de cada vez. Essa capacidade torna possível trabalhar com uma seleção muito ampla de objetos durante o levantamento, que o anúncio previa realizar ao longo de cinco anos.

Das posições à estrutura tridimensional

O mapa de imagens e o mapa 3D respondem, portanto, a perguntas diferentes. O primeiro descreve a distribuição das fontes na abóbada celeste e ajuda a preparar a seleção de alvos. O DESI acrescenta medições da luz que permitem situar os objetos em profundidade e registar a velocidade a que se afastam. O resultado pretendido é uma cartografia mais completa da distribuição de galáxias e quasares no universo.

O NOIRLab explicou que as medições do DESI podiam fornecer informações sobre a natureza da energia escura, associada na nota à expansão acelerada do universo. Esse objetivo científico depende do conjunto das observações e da sua análise: o mapa de imagens é uma etapa preparatória, enquanto os espectros fornecem as medições necessárias para traçar a distribuição tridimensional.

A ideia central é simples, embora a sua execução exija uma infraestrutura extensa: primeiro, imagens amplas e uniformes ajudam a localizar e selecionar objetos; depois, fibras óticas recolhem a sua luz e o DESI decompõe-na em cores. Ao combinar a posição celeste com as medições espectroscópicas, um mapa plano torna-se o ponto de partida para medir como o universo está organizado em três dimensões.