Uma das grandes descobertas das últimas décadas foi a de que o Universo tem se expandido de forma acelerada. Essa aceleração da taxa de expansão é consistente com a Constante Cosmológica introduzida por Albert Einstein, mas também pode ser causada por uma componente de matéria/energia com pressão negativa, comumente chamada de energia escura. Uma explicação alternativa é que as leis da gravidade, que geralmente acreditamos ser descrita pela Relatividade Geral de Einstein, têm que ser modificadas.

A energia escura é a componente dominante do universo, pelo menos duas vezes mais importante do que a matéria escura, a matéria bariônica (átomos) e a radiação juntos. A explicação para o fenômeno da aceleração do universo é  uma nova janela sobre questões fundamentais, desde a origem do universo até a física de partículas. O J-PAS será um instrumento inovador não só para responder essas questões fundamentais, mas também para entender como as galáxias se formaram e evoluíram, para descobrir quasares e supernovas, para mapear grupos e aglomerados de galáxias e para descobrir objetos do sistema solar.

 

Oscilações Acústicas de Bárions

Uma das mais poderosas ferramentas para o estudo da energia escura é uma característica da distribuição de galáxias conhecida oscilações acústicas de bárions (BAOs na sigla em inglês). Essas oscilações são sutis ondas de matéria, geradas numa era primordial do universo, que ficaram impressas na distribuição de galáxias. O tamanho dessas ondas é de aproximadamente 150 Mpc (o que corresponde a 450 milhões de anos-luz). Essas ondas foram geradas quando o universo tinha menos de um milhão de anos (atualmente ele tem mais de 13.5 bilhões de anos de idade!), numa época em que a matéria e a radiação eram tão densas e quentes que, juntas, constituiam um único fluido. À medida que o universo foi se expandindo e resfriando, essas ondas ficaram gravadas na distribuição de matéria, e são hoje observadas na distribuição de galáxias como as BAOs. (veja a figura à direita).
 
A assinatura das BAOs é uma leve preferência de que um par de galáxias se encontre a uma distância de 150 Mpc uma da outra. Desde o nosso ponto de vista na Terra, essa distância pode ser tanto na direção angular (o que é fácil de medir) quanto na direção radial (o que é complicado medir, devido à dificuldade de estabelecer as distâncias até galáxias tão afastadas). O J-PAS poderá medir as distâncias tanto na direção angular quanto na direção radial, por causa da alta precisão na determinação dos redshifts permitida pelo sistema de filtros estreitos. O J-PAS será capaz de determinar com alta precisão a equação de estado da energia escura (w), que é o parâmetro que mede o quanto essa componente acelera a taxa de expansão do universo.
 
 

Lentes Gravitacionais Fracas

O efeito de lentes gravitacionais fracas depende tanto da distância quanto do fator de crescimento como funções do redshift. O efeito de lenteamento fraco pode ser medido diretamente através dos mapas de cisalhamento, ou pode ser estimado pelo efeito de magnificação.
 
A câmera do J-PAS não foi construída para medir com precisão a elipticidade de galáxias, mas as medidas precisas dos redshifts de milhões de galáxias serão combinadas com mapas de cisalhamento de outros experimentos. Essa informação adicional vai servir para separar o cisalhamento causado pela lente dos alinhamentos intrínsecos.
 
A distribuição espacial de galáxias, por sua vez, é modulada pelas lentes gravitacionais. Galáxias pouco brilhantes, que não seriam detectadas na ausência de uma lente, passam a ser observadas por causa da magnificação. Isso aumenta a densidade de galáxias nas linhas de visada próximas a grandes aglomerações de matéria tais como aglomerados de galáxias. Por outro lado, a magnificação também aumenta a área aparente da galáxia, o que levaria a uma diminuição na densidade observada de galáxias. O efeito final da magnificação por lentes gravitacionais é controlado pela contagem de objetos (number counts).
 
O levantamento de galáxias do J-PAS será capaz de medir esse efeito através da correlação de galáxias separadas por fatias de redshifts. Dado o seeing excelente do site de Pico del Buitre, o J-PAS vai reservar as noites (seeing melhor que 0.5-0.6'') para fazer um mapa com alta qualidade de imagens no Hemisfério Norte.

 

Aglomerados de Galáxias

Os aglomerados de galáxias são as maiores estruturas ligadas do universo, e chegam a conter centenas ou até milhares de galáxias gravitacionalmente ligadas. A distribuição e evolução desses aglomerados podem ser usadas para medir o volume cósmico como função do redshift e a taxa de crescimento de estruturas. Essas medidas são complementares à medida da escala de BAOs, que é de natureza puramente geométrica.

A identificação de grupos e aglomerados de galáxias será feita com os catálogos de galáxias e seus redshifts, que o J-PAS permite medir com alta precisão. O J-PAS constituirá um novo patamar para a seleção óptica de grupos e aglomerados, já que poderemos buscar por concentrações de galáxias com velocidades similares: a precisão dos redshifts fotométricos se traduz em um erro nas velocidades que é equivalente a σv/c < 1000 km/s (1+z). Isso permitirá um salto de qualidade na completeza e pureza dos catálogos ópticos de grupos e aglomerados.

A comparação da teoria com as observações requer uma calibração das massas dos aglomerados, o que será buscado de diversas maneiras. O J-PAS vai permitir uma auto-calibração dos limiares de massa de vários modos: pelo empilhamento das medidas de magnificação e cisalhamento, ou pelo bias da aglomeração entre aglomerados. A dispersão de velocidade dos membros de aglomerados ricos também poderá servir como uma estimativa adicional de massa. Vamos também combinar o catálogo óptico de halos com observações de Sunyaev-Zel'dovich (SZ) e raios-X para limitar ainda mais a dispersão dessas estimativas de massa. Todos esses elementos apontam para a construção de um catálogo com massas bem medidas e limiares bem determinados, que pode ser usada para medir a função de massa de halos e, consequentemente, os parâmetros que determinam as propriedades da energia escura.

O redshift de grupos e aglomerados será medido com uma precisão ainda maior do que a das galáxias que compõe aquele objetos. Considerando cada halo como um traçador da distribuição de matéria no universo, esse catálogo de halos (junto com suas massas) poderá servir para medir diretamente o espectro de matéria e até mesmo as BAOs. Apesar da densidade em número desses halos ser menor que a de galáxias vermelhas (LRGs), o bias desses objetos é maior do que o das LRGs, e sua amplitude pode ser melhor determinada através das estimativas de massa desses halos.

 

Evolução de Galáxias e Supernovas

O J-PAS terá um grande impacto na pesquisa em supernovas. A primeira linha de evidência sobre a energia escura surgiu em 1998 (Perlmutter et al. 1998 e Riess et al. 1998), com a descoberta de que o diagrama de Hubble, medido por meio de supernovas to tipo Ia, indicava uma taxa de expansão acelerada.

Supernovas do tipo Ia permitem medidas direta de distância porque são velas padronizáveis: a medida das curvas de luminosidade e das cores dessas explosões permitem inferir suas luminosidade absolutas - e, portanto, as distâncias até esses objetos. Supernovas têm espectros com linhas de emissão e absorção muito largas, e o sistema de filtros do J-PAS é ideal não apenas para descobrir e identificá-las (como tipos Ia, Ib, Ic, II etc.), mas também para extrair os redshifts e cores desses objetos - e isso sem a necessidade de fazer follow-up dessas estrelas com espectrógrafos. O catálogo de supernovas do J-PAS conterá milhares de objetos em z < 0.6, assim como dados detalhados sobre as galáxias hospedeiras dessas supernovas. Esses dados terão um grande impacto sobre as mais importantes fontes de erros sistemáticos associados com as medidas absolutas de distância feitas com supernovas.

As galáxias mais próximas também serão completamente caracterizadas pelo sistema de filtros do J-PAS. Os 56 filtros de largura 100 A (FWHM) permitem uma espectroscopia de baixa resolução em cada pixel do céu, o que significa informação detalhada sobre populações estelares espacialmente resolvidas em galáxias a baixos redshifts. As medidas espectrofotométricas vão permitir estudar diretamente parâmetros relevantes para a evolução de galáxias, como temperatures estelares, massas estelares, idades, metalicidades, extinção por poeira e emissão por gás interestelar. A coleção de dados espectro-fotométricos para centenas de milhões de galáxias vai permitir um estudo inédito de populações estelares integradas. Isso vai permitir a determinação das taxas de formação estelar, taxas de mergers e parâmetros de evolução química que estão relacionadas às populações estelares de diferentes tipos de galáxias como função do redshift e de seus ambientes.

 

Quasares

AGNs em geral, e quasares do tipo 1 em particular, serão facilmente identificados pelo sistema de filtros do J-PAS. Esperamos detectar por volta de 3 milhões de quasares do tipo 1 até redshifts z~5, e um número similar de quasares do tipo 2, além de dezenas de milhões de galáxias com linhas de emissão. Esse catálogo será um avanço por um fator de ~20 sobre o melhor catálogo na atualidade, realizado pelo Sloan Digital Sky Survey.

O volume mapeado por esse catálogo de AGNs será sem precedentes: mais de 30 Gpc3 h-3. Esse mapa permitirá até mesmo uma medida das BAOs em altos redshifts, tanto na direção angular quanto na direção radial. A base de dados será ideal para explorar assuntos tais como a aglomeração (e, portanto, seu bias) de quasares como função de luminosidade, funções de luminosidade, duty cycles etc. Uma outra área de grande interesse que esse catálogo permitirá é uma busca por sistemas com imagens múltiplas causadas por lentes gravitacionais fortes (de galáxias elípticas gigantes, principalmente). O J-PAS vai revelar centenas de candidatos, com uma alta eficiência, e o catálogo de sistemas com lentes fortes pode permitir uma medida do potencial de lenteamento (a seção de choque para lentes fortes) como função do redshift.

O J-PAS também vai prover um mapa completo de galáxias nas vizinhanças das linhas-de-visada para os quasares, o que será extremamente interessante para correlacionar sistemas de absorção com as galáxias observadas, o que nos dá informação de alto valor sobre a distribuição de gás ao redor dessas galáxias. As galáxias luminosas com alta taxa de formação estelar a partir de um redshift z ~2.2 serão detectadas com a fotometria de banda estreita do J-PAS por meio da linha Lyman e os sistemas de absorção. Isso vai permitir o estudo dessa população galáctica e suas propriedades de aglomeração sobre um volume inédito.

 

Estrelas

O sistema de filtros da JPCam foi escolhido cuidadosamente para permitir a medida de diversos parâmetros estelares tais como temperaturas efetivas, gravidade superficial, abundâncias de ferro e frações α/Fe. 

Os dados fotométricos do J-PAS vão revelar as SEDs (spectral energy distributions) das estrelas. A determinação desses parâmetros espectrais será obtida através da comparação entre os espectros observados e teóricos, que são funções desses parâmetros. Algumas das principais características dessas SEDs, tais como o "salto" de Balmer (~3647A) e a inclinação do contínuo de Paschen  (entre 3800A e 8200A), que são muito sensíveis aos parâmetros estelares, serão usados como indicadores primários desses parâmetros. Uma análise de uma grande população de estrelas do halo permitirá uma determinação precisa das densidades e perfis de metalicidade de estrelas velhas e pobres em metais da nossa galáxia e de suas satélites.

 

 
 

Objetos do Sistema Solar (Minor Planets)

A distribuição e composição química dos asteróides são algumas das medidas mas importantes para caracterizar a história da formação e evolução desses objetos, mas também estão entre as mais difíceis, devido a efeitos de seleção. O uso de cores de asteróides abriu uma nova janela no estudo da origem dos asteróides. A idéia foi concretizada recentemente usando os cinco filtros largos do catálogo de objetos móveis do SDSS, e mostrou resultados promissores (Parker et al. 2008, Icarus, 198, 138; Carvano et al. 2010). O sistema de filtros do J-PAS vai permitir que esse estudo seja estendido enormemente, observando basicamente o espectro inteiro dos asteróides, levando a um nível mais alto a exploração dessa nova janela.

 

 

Distorções no Espaço de Redshift

O mapa das estruturas no universo utiliza o redshift como estimativa das distâncias na direção radial, mas as velocidades peculiares e fluxos em largas escalas distorcem essa identificação. Esse mapeamente imperfeito entre o espaço das posições e o espaço de redshift é chamado de distorções de redshift, e o J-PAS está muito bem colocado para fazer a melhor medida dessas distorções. Dado um modelo teórico, as medidas do espectro de matéria no espaço de redshift, tanto no regime linear quanto no regime levemente não-linear, permitem a extração das distorções de redshift, que dependem tanto do bias do traçador quanto da taxa de crescimento de estruturas. Essas medidas permitem um vínculo independente do campo de velocidades do universo, o que constitui informação adicional para testarmos nossos modelos de energia escura e/ou gravidade modificada.

A medida da amplitude do espectro de potências P(k) como função do redshift, em conjunto com dados de lenteamento da radiação de fundo ou de funções de correlação de ordem mais alta, também permite o estudo do bias como função da escala e do redshift. Correlações de ordem mais alta, tais como o bi-spectro, podem ser utilizadas até mesmo para estimar a escala de BAOs.