O efeito Sunyaev–Zeldovich (frequentemente abreviado como efeito SZ, nomeado em homenagem a Rashid Sunyaev e Yakov B. Zeldovich) é a distorção espectral da radiação cósmica de fundo em micro-ondas (RCFM ou CMB) causada pelo espalhamento Compton inverso por elétrons de alta energia presentes em aglomerados de galáxias. Nesse processo, os fótons de baixa energia da radiação de fundo recebem um acréscimo médio de energia durante as colisões com os elétrons energéticos do meio intracúmulo. As distorções observadas no espectro da radiação cósmica de fundo são utilizadas para identificar perturbações de densidade na matéria do universo. Por meio do efeito Sunyaev–Zeldovich, diversos aglomerados de galáxias densos e distantes têm sido catalogados.
Visão geral O efeito Sunyaev–Zeldovich foi previsto teoricamente por Rashid Sunyaev e Iakov Zeldovich com o objetivo de descrever anisotropias na radiação cósmica de fundo. O fenômeno ocorre quando os fótons da RCF interagem com elétrons de alta energia presentes no gás ionizado. Esses elétrons provocam o espalhamento Compton inverso dos fótons da radiação de fundo, distorcendo a curva do espectro de corpo negro da radiação. O efeito torna-se mais pronunciado e identificável durante a observação de aglomerados de galáxias. A análise de dados da radiação cósmica de fundo em altas resoluções angulares (altos valores multipolares ) exige que a contribuição do efeito Sunyaev–Zeldovich seja obrigatoriamente considerada.
O efeito Sunyaev–Zeldovich pode ser classificado nas seguintes manifestações principais:
Efeitos térmicos, nos quais os fótons da radiação de fundo interagem com elétrons que possuem altas energias cinéticas em razão de sua elevada temperatura; Efeitos cinemáticos, um efeito de segunda ordem no qual os fótons da RCF interagem com elétrons que possuem altas energias em decorrência de seu movimento global coordenado (também denominado efeito Ostriker–Vishniac, em homenagem a Jeremiah P. Ostriker e Ethan Vishniac); Polarização.
O efeito Sunyaev–Zeldovich reveste-se de grande relevância para a astrofísica e a cosmologia física. Ele fornece subsídios para calibrar a determinação da constante de Hubble, localizar novos aglomerados de galáxias e aprofundar o estudo da estrutura interna e da massa bariônica desses sistemas. Uma vez que o efeito Sunyaev–Zeldovich é um fenômeno de espalhamento puro, sua amplitude é intrinsecamente independente do desvio para o vermelho (redshift), o que implica que aglomerados situados em épocas cosmológicas remotas (alto redshift) podem ser detectados com a mesma facilidade que sistemas localizados no universo próximo (baixo redshift).
Efeitos térmicos A deformação espectral da radiação cósmica de fundo provocada por um conjunto volumoso de elétrons térmicos de alta energia é denominada efeito Sunyaev–Zeldovich térmico. Essa manifestação é a mais investigada no estudo observacional de aglomerados de galáxias. Ao correlacionar as medições do efeito Sunyaev–Zeldovich com dados de emissão de raios X, torna-se viável mapear o perfil térmico do aglomerado; adicionalmente, quando o perfil radial de temperatura é conhecido, os dados do efeito SZ permitem calcular a massa bariônica total do sistema ao longo da linha de visada. A combinação das observações em raios X e do efeito Sunyaev–Zeldovich também possibilita mensurar a constante de Hubble por meio da distância de diâmetro angular do aglomerado. Tais distorções térmicas podem igualmente ser detectadas em superaglomerados e em reservatórios gasosos do Grupo Local, embora apresentem intensidades sensivelmente menores e imponham desafios observacionais maiores. Em superaglomerados, o sinal térmico é fraco (< 8 μK), mas detectores com alta sensibilidade instrumental conseguem aproveitá-lo para investigar os processos de formação de estruturas em grande escala. Gases ionizados no Grupo Local também podem introduzir anisotropias na RCF que devem ser devidamente descontadas em determinadas escalas angulares.
Efeitos cinemáticos O efeito Sunyaev–Zeldovich cinemático manifesta-se quando um aglomerado de galáxias se desloca com velocidade própria relativa em relação ao fluxo de Hubble cósmico. Esse efeito fornece um mecanismo analítico direto para estimar a velocidade peculiar do sistema:onde é a velocidade peculiar ao longo da linha de visada, representa a temperatura da radiação de fundo, é a velocidade da luz e corresponde à profundidade óptica de espalhamento Thomson. Para aplicar essa formulação de modo acurado, é indispensável segregar previamente as componentes térmica e cinemática dos dados observados. Como a amplitude cinemática é modesta na grande maioria dos aglomerados, a integração com técnicas de lente gravitacional viabiliza a determinação precisa de outras componentes do vetor velocidade do sistema. Esses parâmetros dinâmicos auxiliam na calibração independente da constante de Hubble e no estudo dos fluxos de velocidade em grande escala.
Pesquisa As pesquisas atuais concentram-se na modelagem física detalhada do processo de geração do sinal pelo plasma intracúmulo em aglomerados de galáxias, no emprego do efeito para constranger o valor da constante de Hubble e na separação estatística dos diferentes termos da flutuação térmica nas análises multipolares da radiação de fundo. Simulações hidrodinâmicas cosmológicas avançadas são constantemente confrontadas com observações empíricas com o objetivo de aprimorar a teoria analítica subjacente. A extração dos sinais impõe dificuldades severas, tanto em decorrência da reduzida amplitude das flutuações quanto pela sobreposição de ruídos instrumentais e perturbações térmicas intrínsecas da própria radiação cósmica de fundo. Para discriminar a assinatura SZ do aglomerado das flutuações primordiais de densidade, combina-se a resposta espectral característica do efeito à correlação espacial das fontes.
Um elemento determinante que facilita a detecção de aglomerados em altos desvios para o vermelho reside na relação tamanho angular-redshift: essa grandeza sofre variações mínimas entre os intervalos de desvio para o vermelho de e , indicando que aglomerados com massas equivalentes projetam diâmetros angulares aproximados sobre a abóbada celeste. O potencial das sondagens de aglomerados baseadas no efeito Sunyaev–Zeldovich para derivar parâmetros cosmológicos globais foi demonstrado teoricamente por Barbosa et al. (1996). Esses levantamentos desempenham papel decisivo na elucidação da dinâmica da energia escura mediante observações de telescópios como o Telescópio do Polo Sul (SPT), o Atacama Cosmology Telescope (ACT) e o observatório espacial Planck.
Observações thumb|Primeiras medições do efeito Sunyaev–Zeldovich térmico obtidas pelo Atacama Large Millimeter Array no aglomerado de galáxias de grande massa RX J1347.5−1145. Em 1984, pesquisadores do Grupo de Radioastronomia de Cambridge e do Observatório de Rádio de Owens Valley registraram as primeiras detecções empíricas do efeito Sunyaev–Zeldovich em direção a aglomerados de galáxias. Dez anos depois, o Telescópio Ryle foi utilizado para obter o primeiro mapeamento bidimensional de imagem de um aglomerado galáctico baseado no efeito Sunyaev–Zeldovich.
Em 1987, o satélite Cosmic Background Explorer (COBE) registrou a radiação cósmica de fundo com precisão inédita, fornecendo parâmetros refinados para a quantificação das anisotropias térmicas e viabilizando análises analíticas aprofundadas do efeito Sunyaev–Zeldovich.
Diversos instrumentos científicos dedicados foram construídos especificamente para mapear o fenômeno, a exemplo da câmara Sunyaev–Zeldovich instalada no radiotelescópio Atacama Pathfinder Experiment (APEX-SZ) e do arranjo Sunyaev–Zel'dovich Array (SZA), ambos iniciando operações em 2005. Em 2012, o Atacama Cosmology Telescope (ACT) realizou a primeira detecção estatística consolidada do efeito SZ cinemático. No mesmo ano, o efeito SZ cinemático foi isolado e detectado individualmente pela primeira vez em um objeto astronômico específico, o aglomerado MACS J0717.5+3745.
Até 2015, o Telescópio do Polo Sul (SPT) havia identificado 415 novos aglomerados de galáxias exclusivamente por meio da assinatura do efeito Sunyaev–Zeldovich. O método permanece como uma das ferramentas observacionais de maior eficiência na descoberta de estruturas em grande escala.
Experimentos aerostáticos recentes, como o telescópio em balão estratosférico OLIMPO, operam em bandas de frequência específicas para mapear regiões selecionadas do céu com sensibilidade milimétrica, visando isolar o efeito Sunyaev–Zeldovich com maior grau de resolução e fidelidade cartográfica.
Ver também Efeito Sachs–Wolfe Distorções espectrais da radiação cósmica de fundo Equação de Kompaneyets
Referências
Leitura adicional
Ligações externas Ecos corrompidos do Big Bang? no innovations-report.com Artigos sobre o efeito Sunyaev–Zeldovich no arXiv.org
Categoria:Radioastronomia Categoria:Cosmologia física