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Cientistas estão perseguindo um antigo sinal que pode explicar o universo moderno

O sinal fraco de 12 bilhões de anos pode levar os cientistas até as primeiras estrelas e iluminar as origens do universo moderno, matéria escura e tudo mais.

por Becky Ferreira; Traduzido por Marina Schnoor
21 Outubro 2019, 10:00am

O Murchison Widefield Array na Austrália. Imagem: Dr. John Goldsmith/Celestial Visions.

Em todo o mundo, antenas de rádio em paisagens remotas estão escaneando o céu pelo mesmo sinal fraco da “aurora cósmica”, um tempo em que as primeiras estrelas brilharam mais de 12 bilhões de anos atrás.

Se detectado, o sinal vai iluminar alguns dos mistérios mais duradouros sobre as origens, bom, de tudo – estrelas, galáxias, até das enigmáticas matéria e energia escuras que cientistas acham que formam 95% da massa do universo. Na verdade, a descoberta seria tão significativa que pelo menos uma das muitas equipes caçando esse sinal provavelmente se tornaria candidata ao Prêmio Nobel.

“Há muita competição sobre quem será o primeiro, mas, por outro lado, há colaboração e conhecimento sendo compartilhado”, disse Anastasia Fialkov, pesquisadora sênio do Kavli Institute for Cosmology em Cambridge, Reino Unido, por telefone.

Lentamente, cientistas estão chegando a essa importante detecção. Em setembro, uma equipe publicou um novo enquadramento de tempo para a era de onde o sinal se originou que é 10 vezes mais precisa que estimativas anteriores. Ano passado, outra equipe capturou a detecção em potencial mais promissora do sinal até agora, apesar dos resultados ainda estarem sendo revisados.

O sinal não é uma mensagem de uma civilização alienígena, ou um vislumbre de um objeto exótico dos primórdios do tempo. Na verdade, ele vem de um dos componentes mais simples do universo: átomos neutros de hidrogênio. Como esses átomos absorvem e liberam fótons com um comprimento de onda de 21 centímetros, o sinal é conhecido alternativamente como sinal de hidrogênio neutro ou sinal de 21 centímetros.

A assinatura desse hidrogênio antigo pode abrir a primeira janela observacional para a primeira Época de Reionização (EoR em inglês). Essa é a era mais enevoada da história do universo, e começou algumas centenas de milhões de anos depois do Big Bang.

“Sabemos que o hidrogênio neutro está lá, então o sinal de hidrogênio neutro também deve estar”, explicou Leon Koopmans, professor da Universidade de Groningen e principal investigador do LOFSR Epoch of Reionization Key Science Project, que usa o telescópio LOFAR para caçar o sinal de hidrogênio neutro.

Antes da EoR, o universo era desprovido de luz de estrelas, um tempo conhecido como a Idade das Trevas cósmica. Depois da EoR, a estrutura básica do universo conhecido que habitamos hoje, salpicado de estrelas e galáxias e esculpido pela matéria e energia escuras, se materializou. Mas os cientistas não sabem muito sobre o período de quase 500 milhões de anos que separa a Idade das Trevas do universo moderno iluminado.

A melhor aposta para finalmente investigar essa era inacessível é capturar esse sinal de hidrogênio neutro.

Mas detectá-lo se provou ser uma das buscas mais difíceis da astronomia e cosmologia. O sinal de 21 centímetros já era fraco quando criado na aurora cósmica. Depois de atravessar distâncias e escalas de tempo extremas para nos alcançar, o pequeno sinal é afogado por interferências mais altas de galáxias, estrelas, nebulosas e aparelhos que emitem sinais de rádio na Terra.

O sinal é até um milhão de vezes mais fraco do que todo o barulho de rádio próximo, segundo Koopmans.

“Toda a energia já coletada por um telescópio de rádio, como o LOFAR, não excede aquela de um floco de neve caindo na Terra”, ele disse. “A energia emitida pelo sinal de hidrogênio neutro é ainda 100 mil vezes menor que isso.”

O sinal que pode iluminar tudo

Pelos primeiros bilhões de anos de sua vida, o universo era drasticamente diferente do lugar em que vivemos hoje. Depois do Big Bang, as condições eram tão quentes e energéticas que prótons e elétrons não conseguiam se combinar para formar átomos neutros estáveis, então o universo era basicamente uma sopa superquente de partículas subatômicas opacas.

As condições cósmicas esfriaram por cerca de 378 mil anos depois do Big Bang, permitindo a formação de hidrogênio neutro e iniciando o que é chamado de Era da Recombinação. Quando átomos começaram a se formar durante esse período, o universo se tornou mais transparente, permitindo que a luz viajasse mais livremente sem ser dispersada por partículas subatômicas aleatórias. Essa radiação, chamada de radiação cósmica de fundo em micro-ondas, é a luz mais antiga já detectada no universo.

Enquanto o universo passava de plasma quente para gás de condensação frio, ele mergulhou na Idade das Trevas cósmica. Cientistas acham que há apenas duas formas de luz observáveis dessa época: a cósmica de fundo em micro-ondas e o muito procurado sinal de 21 centímetros.

“Quando você liga o rádio do seu carro entre estações de FM, 99,7% da estática que você ouve é barulho de rádio de elétrons relativísticos espiralando ao redor de campos magnéticos da nossa galáxia e outras galáxias próximas, 0,3% é do rescaldo do Big Bag, e apenas 0,1% é do sinal de 21 centímetros”, disse Judd Bowman, cosmologista experimental da Universidade do Estado do Arizona, por e-mail.

O sinal foi originalmente criado quando elétrons nos átomos de hidrogênio neutro trocaram de estados de energia, antes e durante a EoR. Fótons absorvidos ou liberados por essas pequenas mudanças de elétrons inicialmente tinham o comprimento de onda característico de 21 centímetros, mas a expansão do universo provavelmente os alongou para qualquer coisa entre 2 a 20 metros até ele chegar na Terra.

Quando as primeiras estrelas começaram a brilhar, inundando o universo com ainda mais radiação energética, os átomos de hidrogênio neutro gradualmente começaram a se ionizar, o que significa que foram despidos de seus elétrons. Isso marca o começo da Época de Reionização, quando a luz das estrelas e galáxias converteram muito do hidrogênio neutro do universo em hidrogênio ionizado. A maioria do hidrogênio no universo continua ionizado até hoje.

Enquanto a luz dessas fontes luminosas brotava e o hidrogênio neutro diminuía por se tornar ionizado, o sinal enfraqueceu durante a EoR.

“O sinal é sensível a luz que a primeira geração de estrelas deve ter produzido”, explicou Fialkov. “Podemos aprender sobre o processo de reionização disso: quão eficiente as primeiras galáxias foram em ionizar gás e como essa eficiência varia com a massa das galáxias e halos onde elas estão.”

O processo de reionização se desenrolou por muitas centenas de milhões de anos, mas estava completo quando o universo atingiu seu aniversário de um bilhão de anos. Como o universo estava engolfado em escuridão antes da reionização, é desafiador detectar qualquer coisa dessa parte primordial da EoR que pode fornecer pistas sobre a estrutura do universo naquela época.

Cientistas conseguiram achar algumas das estrelas e galáxias mais antigas do universo, mas ainda não é possível ter um vislumbre desses objetos radiantes da aurora cósmica. Por isso o hidrogênio neutro é um meio tão valioso de indiretamente detectar a primeira geração de estrelas e galáxias – desde que os cientistas consigam capturá-lo.

“Uma das maiores prioridades da astrofísica é entender as propriedades e evolução das primeiras estrelas e galáxias”, disse Bowman. “Esses são objetos que transformaram o universo primordial, alterando quase todo átomo com sua radiação e plantando as sementes dos elementos do universo que acabariam formando a Terra e todos nós.”

A corrida planetária para detectar o sinal de 21 centímetros

A noção de que o sinal de hidrogênio neutro pode ser usado para estudar alguns dos primeiros dias do universo existe há décadas, mas só nos últimos dez anos a tecnologia começou a alcançar essa visão.

O LOFAR, que foi completado em 2012, tem uma enorme área de coleta com pequenas antenas espalhadas pela Holanda, Alemanha, Reino Unido, França, Suécia e Irlanda. Essa vastidão geográfica permite que a equipe aprimore o sinal, corrigindo erros em instrumentos ou perturbações na atmosfera da Terra, disse Koopmans.

O Murchison Widefield Array (MWA), também completado em 2012, é menor que o LOFAR, mas tem o benefício de interferência de rádio mais baixa devido a sua localização remota no interior da Austrália Ocidental. O Experiment to Detect the Global EoR Signature (EDGES), um instrumento no mesmo local que o MWA, já produziu “a evidência mais promissora da detecção do sinal de 21 centímetros até agora” disse Bowman, que liderou a pesquisa, publicada num artigo na Nature em 2018.

A equipe espera agora por outras medições para confirmar suas descobertas, disse Bowman. A necessidade de verificação é especialmente relevante para o estudo de 2018, que foi cheio de surpresas que desafiam modelos existentes do universo primordial. Discrepâncias entre o sinal previsto e o que realmente foi detectado sugerem que “ou o gás primordial era muito mais frio do que esperado, ou a temperatura da radiação de fundo era muito mais quente que o esperado”, a equipe de Bowman disse no estudo.

“Não sabemos como explicar isso dentro da astrofísica padrão que conhecemos e amamos”, disse Fialkov. “Modelos exóticos precisam ser acrescentados para explicar isso e ainda assim não parece natural.”

Alguns desses modelos sugerem que matéria escura pode ser responsável pelas temperaturas mais frias que o esperado detectadas no começo da aurora cósmica. “Aprendemos de explicação proposta para a profundida do perfil do EDGES que a aurora cósmica pode ter o segredo para destrancar a natureza da matéria escura”, disse Bowman.

A atração desse tesouro cósmico tem motivado equipes a construir observatórios para buscar o sinal de hidrogênio neutro no Cabo Setentrional da África do Sul, nas montanhas do Tibete, na Antártica e outros lugares. Há até propostas para lançar observatórios espaciais para caçar sinais ainda mais antigos, na órbita ou no lado escuro da Lua.

“Sinais da Idade das Trevas, que precede a formação das primeiras estrelas, seriam realmente interessantes de observar, mas esses sinais não podem ser observado do solo porque são bloqueados pela ionosfera”, disse Fialkov, se referindo a uma camada da atmosfera da Terra. “Ela funciona como um espelho dos sinais vindos do espaço, que não penetram e não podem ser observados da Terra.”

“Então ir para o espaço poderia abrir esse regime observacional, e claro, ir para o lado negro da Lua também permitiria evitar interferência de frequências de rádio”, ela acrescentou.

Por enquanto, a corrida pela primeira detecção do hidrogênio neutro continua no nosso planeta, enquanto equipes do mundo todo vasculham os céus por essa relíquia usando arranjos de rádio altamente precisos. E algumas outras ferramentas devem se juntar a essa busca.

EDGES-3, uma versão de próxima geração do instrumento que detectou o melhor candidato do sinal, deve entrar em operação em 2020, segundo Bowman. Outro telescópio especializado chamado Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA), na África do Sul, também deve começar a coletar dados em breve. O Owens Valley Long Wavelength Array na Califórnia, que busca pelo sinal há anos, está sendo atualizado para visar a era estabelecida pela detecção de 2018.

Bowman disse que espera que um desses projetos detecte o sinal nos próximos anos. “Aprendemos muito sobre como fazer essas medições”, ele disse. “Agora é uma questão de colocar a lição aprendida em prática.”

Na mesma linha, observatórios como o MWA, LOFAR ou o MeerKAT da África do Sul também ajudam a informar a construção da mãe de todos os radiotelescópios – o Square Kilometre Array (SKA).

Essa instalação consistirá de milhões de antenas de rádio na África do Sul e Austrália, que vão formar um observatório intercontinental 50 vezes mais sensível que qualquer observatório moderno. O SKA deve entrar em operação em algum momento do final de 2020, e uma de suas maiores missões é investigar a EoR.

“Acho que a detecção em si já será maravilhosa, como a detecção da radiação cósmica de fundo em micro-ondas (na verdade mais difícil!)”, disse Koopmans. “A coisa mais incrível da natureza é como ela sempre nos surpreende!”

Independente de qual equipe seja a primeira a reclamar essa detecção, esse exército crescente de observatórios de rádio vai construir de forma colaborativa uma imagem maior da transição do universo da era das trevas para a era moderna de luz estelar.

“Estou muito surpresa e impressionada com o que podemos fazer aqui do chão”, disse Fialkov. “Estamos confinados na Terra, mas ainda podemos olhar para o passado e entender como as primeiras estrelas se formaram.”

Matéria originalmente publicada na VICE EUA.

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