O Brasil e o Dark Energy Survey
O que é Dark Energy Survey?
O Dark Energy Survey (DES) é um projeto observacional para mapear aproximadamente 5000 graus quadrados do céu em 4 bandas (g, r, i e z) ao longo de cinco anos. Ele consiste essencialmente de um instrumento para levantamentos fotométricos constituído por uma câmera com 62 CCDs (um total de aproximadamente 500 megapixels) e um corretor óptico para o foco primário do telescópio. Tal instrumento será colocado no telescópio Blanco, de 4m, no Cerro Tololo Inter-American Observatory (CTIO) e será utilizado durante 30% do tempo de observação de tal telescópio. O instrumento proposto terá um campo de visão de aproximadamente 3 graus quadrados. Esse grande campo de visão e a sensibilidade da câmera tornam a sua capacidade de realizar levantamentos superior à de qualquer câmera atualmente em funcionamento no óptico e infravermelho próximo. A colaboração do DES também desenvolverá o software de processamento e armazenamento dos dados produzidos pelo instrumento e vai providenciar as instalações e pessoal para processar, armazenar e distribuir os dados obtidos pelo levantamento.
O Dark Energy Survey irá catalogar e permitir uma estimativa relativamente acurada dos desvios para o vermelho fotométricos de aproximadamente 300 milhões de galáxias até z~1 (z~0.02 para aglomerados de galáxias e z~0.1 para galáxias individuais) e um número menor de galáxias com desvios para o vermelho maiores. Assim, o DES será substancialmente mais profundo e cobrirá um maior volume do que o Sloan Digital Sky Survey (SDSS): o catálogo de galáxias do DES conterá aproximadamente quatro vezes mais galáxias que as contidas no SDSS, o maior levantamento sistemático feito com CCDs realizado até o momento. Como no caso do SDSS, espera-se que os dados do DES tenham um grande impacto científico e levem a descobertas em uma grande gama de assuntos do interesse da astronomia, astrofísica, cosmologia e física de partículas.
A fase de construção do instrumento iniciou-se em outubro de 2005 e será completada no fim de 2008. As primeiras observações terão início em setembro de 2009 e o levantamento prosseguirá por cinco temporadas de observação (setembro-fevereiro) de 2009 a 2014.
Um Pouco da Ciência do DES
Como o próprio nome diz, o principal foco do DES é determinar propriedades da chamada “energia escura”. Um dos objetivos é medir a equação de estado w = p/ dessa componente a partir de quatro observáveis obtidos em um único levantamento:
a distribuição do número de aglomerados de galáxias em função do desvio para o vermelho e a evolução da aglomeração de tais objetos;
efeito fraco de lente gravitacional em grandes escalas;
evolução da aglomeração de galáxias;
distâncias de supernovas do tipo Ia.
Uma motivação para a geometria do levantamento é mapear uma área de 4000 graus quadrados coincidindo com a área que a colaboração do South Pole Telescope (SPT) irá observar. O projeto SPT, que já se encontra em construção, irá detectar e medir as massas de aglomerados de galáxias através do efeito Sunyaev-Zeldovich. O DES providenciará desvios para o vermelho fotométricos para esses aglomerados. Combinados, os dois projetos determinarão a distribuição dos aglomerados e a evolução de sua aglomeração.
Espera-se que as medidas independentes desses quatro observáveis, quando combinadas, permitam uma determinação de w com precisão estatística da ordem de 5%, substancialmente melhor do que a precisão combinada de ~15% dos dados atuais. Além disso, como medidas desse tipo apresentam efeitos sistemáticos distintos, a utilização de técnicas múltiplas e complementares permitirá desenvolver um estudo dos vieses associados a cada tipo de observável. Assim, com um maior controle sobre a calibração, o DES poderá proporcionar limites mais robustos que qualquer técnica isolada pode oferecer.
A precisão em desvios para o vermelho fotométricos que será obtida pelo DES permitirá estudar a evolução em z dos diversos observáveis derivados dos seus dados.
Com uma densidade de 10-20 galáxias/minuto de arco quadrado e fornecendo imagens de aproximadamente 300 milhões de galáxias com medida da forma, o DES será ideal para estudos através do efeito fraco de lentes gravitacionais.
Estima-se que serão observados da ordem de 20.000 aglomerados até z = 1 com M > 2x1014 M¤, para os quais o SPT fornecerá uma medida da massa. Também serão identificados uns 200.000 grupos e aglomerados de galáxias para os quais a massa pode ser estimada, pelo menos em média, pelo efeito de lente gravitacional. Com isso será possível obter a função de massa dos grupos e aglomerados e a sua variação com o desvio para o vermelho, que é sensível à energia escura.
Os dados sobre a distribuição angular de 300 milhões de galáxias permitirão obter medidas da aglomeração de galáxias e aglomerados e estudar a sua evolução com z.
O DES também incluirá um levantamento de menor área (40 graus2) no qual serão feitas imagens repetidas para identificar supernovas do tipo Ia. Estima-se que o DES descobrirá da ordem de 2000 supernovas com 0.3 < z < 0.8, realizando uma medida precisa de suas curvas de luz.
Tais características permitirão utilizar os quatro observáveis (aglomeração e abundância de aglomerados, efeito de lente gravitacional, evolução da aglomeração de galáxias e supernovas) para ter medidas da energia escura, como por exemplo, do parâmetro da equação de estado w e a sua variação com o desvio para o vermelho.
Apesar do foco principal do DES estar ligado à cosmologia, os seus dados terão grande interesse para a comunidade astronômica brasileira em geral. Com fotometria em 4 bandas de 5.000 graus2 e imagens repetidas de 40 graus2, os dados do DES poderão ser utilizados, por exemplo, para estudos de objetos do cinturão de Kuiper, movimentos próprios em aglomerados, anãs brancas frias, aglomerados globulares com caudas de maré, estrelas variáveis, populações estelares, busca de galáxias anãs, efeito forte de lentes gravitacionais e catálogos de quasares, entre outros. Dessa forma, não apenas pesquisadores ligados diretamente à área de cosmologia, mas um amplo espectro da comunidade astronômica e física brasileira poderia ser beneficiada com a participação no DES.
Por que uma colaboração brasileira no DES?
A cosmologia observacional entrou na era dos grandes experimentos, seja no levantamento de posições de galáxias, no mapeamento da radiação cósmica de fundo ou em outras observações. Se em alguns aspectos o Brasil foi pioneiro e participou ativamente desse processo, ainda estamos bastante distantes dessa tendência da cosmologia observacional contemporânea. A única forma de participar desse tipo de experimento que envolve vultuosos recursos e instrumentação especialmente dedicada é através de uma colaboração internacional.
O Brasil não está participando diretamente de nenhum grande projeto no óptico e infravermelho próximo dedicado à cosmologia, que é uma das áreas de pesquisa em astronomia que apresentou o maior crescimento na última década. Há alguns pesquisadores trabalhando individualmente com grupos internacionais, mas não há nenhum esforço nacional coordenado nessa linha.
Além disso, o diálogo entre observação e teoria, na cosmologia, ainda é tênue no país. É necessário intensificar essa cooperação, estabelecendo uma ponte entre os grupos que vêm realizando estudos teóricos e os grupos que trabalham diretamente com os dados observacionais. A participação num projeto como o DES seria um catalisador para desenvolver essa interação. Ela não apenas abriria as portas para essa inestimável fonte de informação, como ajudaria a preencher a lacuna entre observação e teoria. Um dos objetivos dessa colaboração seria justamente a formação de recursos humanos nessa fronteira.
De certa forma, o DES pode ser considerado como uma continuação do SDSS, pelo menos no que se refere ao levantamento fotométrico, já que ele contará com os mesmos filtros, com a mesma calibração, mapeará uma região complementar e também cobrirá sistematicamente uma fração apreciável do céu. Além disso, os dados serão administrados no Fermilab, do mesmo modo que o SDSS. Como o Brasil possui uma comunidade crescente de usuários dos dados do SDSS, é natural supor que o DES será de grande interesse e utilidade.
Por outro lado, o DES é uma preparação natural para a sonda Supernovae Acceleration Probe (SNAP). Vários aspectos do levantamento são semelhantes ao que será feito a partir do espaço pelo SNAP (que só entrará em operação após 2015). O próprio tipo de CCD a ser utilizado no DES, desenvolvido pelo LBNL, seria similar ao do SNAP. Assim, ao participar do DES a comunidade brasileira também estaria se qualificando para uma futura participação no SNAP.
Uma fração da colaboração do DES também está envolvida no Large Synoptic Survey Telescope (LSST), um dos projetos mais ambiciosos da astronomia ótica e que terá grande impacto na cosmologia observacional. O LSST possuirá um espelho primário de 8.4 m, com campo de visão de 10 graus2 e uma câmera com mais de 3 bilhões de pixels, sendo capaz de cobrir todo o céu disponível em apenas três noites. O LSST tem programada a sua primeira luz para 2014. Novamente, uma contribuição efetiva no DES poderia facilitar uma participação brasileira nesse projeto.
Quando se fala em colaborações internacionais, uma preocupação é julgar em que medida seremos capazes de fazer alguma contribuição significativa ao objetivo científico final. O DES é uma colaboração de médio porte, contando com aproximadamente 60 cientistas atualmente envolvidos no projeto. Até o momento há apenas dez instituições participando: o Fermilab, as universidades de Illinois e de Chicago, o Lawrence-Berkeley National Laboratory, o Cerro Tololo Intermarican Observatory, a University College London, a Universidade de Cambridge, a Universidade de Edinburgh e os Institutos de Física de Altas Energias e de Física Espacial da Universidade de Barcelona. Dessa forma, a participação brasileira não ficará diluída, mas poderá ser parte importante do projeto em termos de número de pesquisadores envolvidos.
Além disso, como o projeto encontra-se em sua fase inicial, é o momento ideal para dar contribuições efetivas, inclusive em relação à estratégia do levantamento e instrumentação do telescópio, fora o estudo das implicações dos dados do DES, o preparo do software de análise de dados e a infra-estrutura para o seu desenvolvimento.
Finalmente, a astronomia e a física brasileiras têm dado contribuições em uma série aspectos relacionados ao DES. A colaboração de cientistas brasileiros com experiências diversas nesses assuntos terá um impacto significativo no quadro geral do DES.
Impacto Tecnológico
Um dos grandes motores do desenvolvimento tecnológico desta era tem sido a necessidade de difundir, armazenar e processar um crescente volume informações. Como o DES vai produzir da ordem de 100 Tb de dados por ano, a sua análise constitui obviamente um grande desafio tecnológico. A infra-estrutura e os softwares de processamento dos dados do DES ainda não estão prontos, mas é clara a necessidade de uma estrutura do tipo Grid, a nova geração de infra-estrutura computacional intensiva para a análise compartilhada de bases de dados em grande escala (de Tera a PetaBytes) através de comunidades científicas distribuídas.
É justamente nesse aspecto computacional onde pode se dar a maior contribuição brasileira no que se refere à infra-estrutura operacional do DES. Tal estrutura para gerenciamento dos dados será montada no próprio país, em conexão com outros centros de processamento do DES, levando ao desenvolvimento de tecnologia nacional.
Evidentemente a construção dessa infra-estrutura e o desenvolvimento e utilização dos softwares a ela associados conduzirão à formação de recursos humanos e produtos tecnológicos altamente especializados voltados para computação de alta performance e redes de elevada velocidade. O desenvolvimento dessa tecnologia possui aplicações em diversas áreas da indústria e da pesquisa que requerem lidar com um grande volume de informação, como em telecomunicações, previsão do tempo, estudos climáticos; e inúmeros avanços na área biomédica, como na genética, proteomica e estrutura molecular. Assim, o desenvolvimento da estrutura computacional necessária para lidar com os dados do DES terá um impacto muito além da astronomia.
Informações Adicionais
Maiores informações sobre o DES podem ser encontradas nesta lista de links
Membros atuais da colaboração DES nos EUA (pesquisadores)
Fermilab (Construção da câmera, simulações, estratégia do levantamento)
Jim Annis, Scott Dodelson, Brenna Flaugher, Josh Frieman, Mike Gladders (Carnegie), Steve Kent, Peter Limon, Huan Lin, John Peoples, Vic Scarpine, Albert Stebbins, Chris Stoughton, Douglas Tucker, William Wester.
University of Illinois (Gerenciamento e aquisição dos dados, SPT)
Robert Brunner, Inga Karliner, Joseph Mohr, Ray Plante, Mats Selen, Jon Thaler
University of Chicago (SPT, corretor de grande área, simulações)
John Carlstrom, Scott Dodelson, Josh Frieman, Wayne Hu, Steve Kent, Erin Sheldon, Risa Wechsler
Lawrence-Berkeley National Laboratory (Detectores CCD de alta resistividade)
Greg Aldering, Chris Bebek, Michael Levi, Saul Perlmutter, Natalie Roe
Cerro Tololo Interamerican Observatory (CTIO) (telescópio Blanco de 4m, operação da câmera, gerenciamento dos dados)
Tim Abbott, Chris Miller, Chris Smith, Nick Suntzeff, Alistair Walker
Outras instituições participantes da colaboração do DES
University College London, Universidade de Cambridge e Universidade de Edinburgh (Reino Unido)
Institute for High Energy Physics e Institute for Space Studies (Universidade Autônoma de Barcelona, Espanha)