Cientistas mais perto do que nunca de sinal da alvorada cósmica

Goldsmith / Colaboração MWA / Universidade Curtin

O radiotelescópio MWA, uma porção do qual está na imagem, está a procurar um sinal emitido durante a formação das primeiras estrelas do Universo

Utilizando o radiotelescópio MWA (Murchison Widefield Array), investigadores deram um novo e significativo passo em direção à deteção de um sinal do período da história cósmica em que as primeiras estrelas iluminaram o Universo.

Há cerca de 12 mil milhões de anos, o Universo emergiu de uma grande idade das trevas cósmica quando as primeiras estrelas e galáxias se iluminaram. Com uma nova análise de dados recolhidos pelo radiotelescópio MWA, os cientistas estão agora mais perto do que nunca de detetar a assinatura ultrafraca desse momento decisivo na história cósmica.

Num artigo disponibilizado no site de pré-impressão ArXiv e a ser publicado brevemente na The Astrophysical Journal, os cientistas apresentam a primeira análise de dados de uma nova configuração do MWA desenhada especificamente para procurar o sinal do hidrogénio neutro, o gás que dominou o Universo durante a idade das trevas cósmica.

A análise estabelece um novo limite – o limite mais baixo até agora – para a força do sinal do hidrogénio neutro.

“Podemos dizer com confiança que se o sinal do hidrogénio neutro fosse mais forte do que o limite que estabelecemos no artigo, então o telescópio o teria detetado”, disse Jonathan Pober, professor assistente de física da Universidade Brown e autor correspondente do novo artigo científico. “Estas descobertas podem ajudar-nos a restringir ainda mais o momento em que a idade das trevas cósmica terminou e as primeiras estrelas surgiram.”

A investigação foi liderada por Wenyang Li, que realizou o trabalho como aluno de doutoramento na Universidade Brown. Li e Pober colaboraram com um grupo internacional de investigadores que trabalhavam com o MWA.

Apesar da sua importância na história cósmica, pouco se sabe sobre o período em que as primeiras estrelas se formaram, conhecido como Época da Reionização.

Os primeiros átomos que se formaram após o Big Bang foram iões de hidrogénio com carga positiva – átomos cujos eletrões foram arrancados pela energia do Universo jovem. À medida que o Universo arrefecia e se expandia, os átomos de hidrogénio reuniram-se com os seus eletrões para formar hidrogénio neutro.

Isso era tudo o que havia no Universo até há cerca de 12 mil milhões de anos, quando os átomos começaram a agrupar-se para formar estrelas e galáxias. A luz desses objetos reionizou o hidrogénio neutro, fazendo com que desaparecesse amplamente do espaço interestelar.

O objetivo de projetos como o que está a decorrer no MWA é localizar o sinal do hidrogénio neutro da idade das trevas e medir como mudou à medida que a Época da Reionização se desenrolava.

Isto poderá revelar informações novas e críticas sobre as primeiras estrelas – os blocos de construção do Universo que vemos hoje. Mas observar qualquer vislumbre deste sinal com 12 mil milhões de anos é uma tarefa difícil que requer instrumentos com sensibilidade requintada.

Quando começou a operar em 2013, o MWA totalizava 2048 antenas de rádio dispostas no interior remoto da Austrália Ocidental. As antenas são agrupadas em 128 “blocos”, cujos sinais são combinados por um supercomputador chamado “Correlator”. Em 2016, o número de blocos duplicou para 256 e a sua configuração na paisagem foi alterada para melhorar a sua sensibilidade ao sinal do hidrogénio neutro. Este novo artigo é a primeira análise de dados da matriz expandida.

O hidrogénio neutro emite radiação no comprimento de onda dos 21 centímetros. À medida que o Universo se expandia nos últimos 12 mil milhões de anos, o sinal da Época da Reionização foi esticado até cerca de 2 metros e é isso que os astrónomos do MWA estão à procura. O problema é que existem inúmeras outras fontes que emitem no mesmo comprimento de onda – fontes criadas pelo Homem, como televisão digital, bem como fontes naturais da Via Láctea e de milhões de outras galáxias.

“Todas estas outras fontes são muitas ordens de magnitude mais fortes do que o sinal que estamos a tentar detetar,” disse Pober. “Mesmo um sinal de rádio FM refletido por um avião que coincidentemente passa por cima do telescópio é suficiente para contaminar os dados.”

Para detetar o sinal, os investigadores usam uma infinidade de técnicas de processamento para eliminar estes contaminantes. Ao mesmo tempo, têm que ter em conta as respostas de frequência únicas do próprio telescópio.

“Se observarmos diferentes frequências de rádio ou comprimentos de onda, o telescópio comportar-se-á de maneira um pouco diferente,” disse Pober. “A correção da resposta do telescópio é absolutamente crítica para a separação dos contaminantes astrofísicos e do sinal de interesse.”

Estas técnicas de análise combinadas com a capacidade expandida do próprio telescópio resultaram num novo limite superior da força do sinal da Época da Reionização. É a segunda análise consecutiva do melhor limite até ao momento a ser divulgada pelo MWA e aumenta a esperança de que a experiência um dia detete o sinal elusivo da Época da Reionização.

“Esta análise demonstra que a atualização da fase dois teve muitos dos efeitos desejados e que as novas técnicas de análise melhorarão as análises futuras,” disse Pober. “O facto do MWA ter publicado os dois melhores limites consecutivos do sinal dá força à ideia de que esta experiência e a sua abordagem prometem muito.”