Illuminating the Physics of Cosmic Origin and Evolution: A UK Space Frontiers 2035 White Paper

Resumo Técnico: SIRMOS – Satélite para Espectroscopia de Múltiplos Objetos no Infravermelho

Definição do Problema
A compreensão cosmológica atual enfrenta três lacunas fundamentais em relação à origem e evolução do Universo: a física específica da inflação cósmica, a natureza da energia escura (DE) que impulsiona a atual expansão acelerada e a escala de massa absoluta dos neutrinos. Embora a Radiação Cósmica de Fundo (CMB) e os levantamentos de galáxias de baixo redshift ($z \lesssim 2$) tenham avançado o campo, eles carecem de sensibilidade para distinguir entre modelos concorrentes em regimes críticos.

• Inflação: As medições atuais de não-gaussianidade primordial ($f_{NL}$) são insuficientes para descartar modelos de inflação de múltiplos campos contra cenários de campo único.
• Energia Escura: Indícios recentes de um estado de equação de energia escura evolutivo ($w(z)$) e comportamento "fantasma" ($w < -1$) em redshifts elevados ($1,5 \lesssim z \lesssim 4$) permanecem não confirmados devido à falta de dados espectroscópicos neste "gap de redshift". Os levantamentos existentes também dependem de parametrizações fenomenológicas (CPL) que podem enviesar a seleção de modelos.
• Massa de Neutrinos: As restrições cosmológicas atuais sobre a soma das massas de neutrinos ($\sum m_\nu$) não são precisas o suficiente para detectar o cenário de massa mínima ($\sim 0,06$ eV) com alta significância, deixando a hierarquia de massa indeterminada.

As observações baseadas em solo são ainda limitadas pela absorção atmosférica, transmissão variável e linhas de emissão do céu de OH, que fragmentam a janela espectral do infravermelho próximo (NIR) e introduzem incertezas sistemáticas difíceis de modelar para medições de ultra-grande escala.

Metodologia e Conceito da Missão
O artigo propõe o SIRMOS (Satélite para Espectroscopia de Múltiplos Objetos no Infravermelho), uma missão de classe NASA MIDEX projetada para realizar um levantamento espectroscópico de ampla área e alto rendimento.

• Escopo do Levantamento: A missão visa uma área de céu de 14.000 deg², cobrindo a faixa de redshift $1 < z < 4$. O objetivo é obter redshifts espectroscópicos para mais de $10^8$ (100 milhões) de galáxias, criando um mapa 3D denso e homogêneo da estrutura cósmica com um volume de $\sim 500$ Gpc³.
• Instrumentação:
  • Telescópio: Um telescópio de 60 cm de diâmetro, totalmente reflexivo, fora de eixo (off-axis), resfriado a 140 K para minimizar o background térmico. Possui um campo de visão (FoV) de $\sim 1$ deg².
  • Espectroscopia: Utiliza um Dispositivo de Microespelhos Digitais (DMD) para selecionar e direcionar simultaneamente a luz de $\sim 4.000$ alvos para um espectrômetro. Isso permite a espectroscopia de fenda de alta multiplexação.
  • Detectores: O espectrômetro utiliza um plano focal de HgCdTe HAWAII-4RG (H4RG) de 4K$\times$4K da Teledyne, oferecendo cobertura de comprimento de onda contínua de 1,25 a 2,5 $\mu$m em resolução moderada.
  • Imager: Um imager fora de eixo monitora estrelas de alinhamento para garantir que o padrão de fenda do DMD se alinhe com as posições do céu com uma precisão de 0,1 arcsegundo.
• Estratégia Operacional: A missão operará em uma órbita heliosíncrona. Para atingir a meta de $10^8$ espectros, cada campo será observado por um total de 51 minutos, divididos em três visitas de 17 minutos ao longo de uma missão principal de 3 anos. Galáxias que atingirem uma relação sinal-ruído (S/N) $\ge 5$ serão substituídas por novos alvos após cada visita.
• Precisão de Redshift: A abordagem de espectroscopia de fenda visa uma precisão de redshift de $\sigma_z/(1+z) \simeq 10^{-4}$, representando uma melhoria de uma ordem de magnitude sobre missões de grism sem fenda (como Euclid e Roman) e significativamente melhor que missões baseadas em filtros (como o SPHEREx).

Contribuições Principais e Viabilidade Técnica
O artigo descreve uma arquitetura de missão que aproveita tecnologias comprovadas para abordar as limitações de instalações atuais e planejadas:

• Prontidão Tecnológica: A carga útil depende fortemente do legado da missão SPHEREx para o barramento do espaçonave e design térmico (radiadores passivos de sulcos em V). O DMD, atualmente em TRL 5, está programado para uma demonstração em foguete em 2026 para atingir TRL 6. Os demais componentes da carga útil estão em TRL $\ge 6$.
• Soluções de Engenharia: A equipe propõe substituir a janela hermeticamente selada do DMD por uma transparente à radiação NIR para permitir a operação além de 1,0 $\mu$m, identificada como um estudo de engenharia de baixo risco.
• Manipulação de Dados: A missão gera um volume de dados diários gerenciável (7,4 GB), bem dentro das capacidades de uma antena padrão de banda Ka ou mesmo de um receptor S-band de 2.000 kbps para transmissões semanais.
• Papel Estratégico do Reino Unido: O artigo posiciona o SIRMOS como um veículo para a liderança do Reino Unido, propondo que a indústria e a academia do Reino Unido liderem a construção do telescópio e dos sistemas ópticos, baseando-se na experiência adquirida com a missão Euclid e o DESI terrestre.

Resultados Projetados e Capacidades Científicas
As previsões indicam que o SIRMOS alcançará os seguintes marcos científicos:

1. Física da Inflação: O levantamento projeta detectar $|f_{NL}| = 1$ com um nível de significância de $5\sigma$. Esta precisão é suficiente para distinguir decisivamente entre a inflação de rolagem lenta de campo único ($f_{NL} \approx 0$) e modelos de inflação de múltiplos campos ($|f_{NL}| \gtrsim 1$).
2. Evolução da Energia Escura: Ao medir a história da expansão e o crescimento da estrutura via Oscilações Acústicas de Bárions (BAO) e Distorções de Redshift-Espaço (RSD) na faixa de $1 < z < 4$, o SIRMOS pode distinguir entre uma constante cosmológica e modelos de energia escura evolutiva (incluindo cenários CPL e fantasma) sem depender de dados de Supernovas Tipo Ia. Visa resolver os indícios de comportamento "fantasma" observados em levantamentos de baixo redshift.
3. Massa de Neutrinos: Combinando análise de espectro de potência, bispectro e de múltiplos traçadores com priors da CMB do Planck, a missão prevê uma detecção do cenário de massa mínima de neutrinos ($\sum m_\nu = 0,057$ eV) com significância $> 10\sigma$, estabelecendo assim a escala de massa absoluta dos neutrinos.

Significância e Alegações
O artigo afirma que o SIRMOS representa uma oportunidade única de aplicar tecnologias comprovadas na Terra (DMDs, grandes matrizes de detectores) no espaço para resolver questões cosmológicas fundamentais que levantamentos terrestres não podem abordar devido às limitações atmosféricas.

• Impacto Científico: Alega ser o primeiro levantamento capaz de mapear o Universo de alto redshift ($1 < z < 4$) com a densidade e precisão espectroscópica necessárias para reconstruir a evolução cósmica durante a transição da dominação de matéria para a dominação de energia escura.
• Alinhamento Estratégico: A missão é apresentada como um alinhamento estratégico dos objetivos da UK Space Agency e da STFC, visando demonstrar a capacidade do Reino Unido em missões espaciais de ponta a ponta e fortalecer a economia espacial nacional através de participação industrial de alto valor.
• Sinergia: Além dos objetivos cosmológicos primários, o artigo observa o potencial da missão para contribuir para a compreensão da evolução das galáxias em ambientes de alto redshift e sondar as regiões da Via Láctea envoltas por poeira, oferecendo sinergias com capacidades de infravermelho próximo (NIR) terrestres lideradas pelo Reino Unido, como o MOONS.