Astrônomos Detectam a Maior Evidência de Hidrogênio Primordial

Concepção artística das primeiras estrelas maciças do Universo em filamentos gasosos, com o fundo de microondas cósmico (CMB) nas bordas.

Em um estudo publicado na revista Nature, astrônomos do MIT e da Universidade Estadual do Arizona informam que uma pequena antena de rádio, do tamanho de uma pequena mesa, parte do projeto EDGES -  Experimento para Detectar a Época da Assinatura de Reionização Global - em uma região remota do oeste da Austrália, pegou sinais fracos de gás hidrogênio do Universo primordial.
Os cientistas captaram os sinais apenas 180 milhões de anos após o Big Bang, fazendo com que a detecção seja a evidência mais antiga de hidrogênio já observada.
Eles também determinaram que o gás estava em um estado que só seria possível na presença das primeiras estrelas. Essas estrelas, piscando pela primeira vez em um universo que anteriormente não tinha luz, emitiam radiação ultravioleta que interagia com o gás hidrogênio circundante. Como resultado, os átomos de hidrogênio em todo o Universo começaram a absorver a radiação cósmica de fundo - uma mudança fundamental que os cientistas conseguiram detectar na forma de ondas de rádio.
Os resultados fornecem evidências de que as primeiras estrelas podem ter começado a brilhar cerca de 180 milhões de anos após o Big Bang.
"Este é o primeiro sinal real de que as estrelas estavam começando a se formar e começando a afetar o meio em torno delas", diz o co-autor do estudo Alan Rogers, cientista do Observatório do Haystack do MIT. "O que aconteceu neste período é que algumas das radiações das primeiras estrelas estavam começando a permitir que o hidrogênio fosse observado. Isso faz com que o hidrogênio comece a absorver a radiação cósmica de fundo, o que faz com que possa ser observado, em frequências de rádio particulares".
Certas características nas ondas de rádio detectadas também sugerem que o gás hidrogênio e o Universo como um todo devem ter sido duas vezes mais frio do que os cientistas previamente estimaram, com uma temperatura de cerca de -270 graus Celsius. Rogers e seus colegas não sabem com certeza por que o universo primordial era muito mais frio, mas alguns pesquisadores sugeriram que as interações com a matéria escura podem ter desempenhado algum papel.
"Esses resultados exigem algumas mudanças na nossa compreensão atual da evolução precoce do Universo", diz Colin Lonsdale, diretor do Haystack Observatory. "Isso afetaria os modelos cosmológicos e exigiria que os teóricos descobrissem como isso aconteceu".
A versão atual do EDGES é o resultado de anos de iteração de design e calibração de instrumentos para atingir os níveis de precisão necessários para alcançar com sucesso uma medida extremamente difícil.
O instrumento foi originalmente projetado para captar ondas de rádio emitidas de um tempo na história do Universo conhecido como Época da Reionização (EoR, na sigla em inglês). Durante este período, pensa-se que as primeiras fontes luminosas, como estrelas, quasares e galáxias, apareceram no Universo, fazendo com que o meio intergaláctico previamente neutro, feito principalmente de gás hidrogênio, se ionizasse.
Antes do aparecimento das primeiras estrelas, o Universo estava envolto na escuridão, e o hidrogênio, seu elemento mais abundante, era praticamente invisível, incorporando um estado de energia que era indistinguível da radiação de fundo cósmica circundante.

Esta linha de tempo atualizada do Universo reflete a descoberta recente de que as primeiras estrelas surgiram 180 milhões de anos após o Big Bang.

Os cientistas acreditam que, quando as primeiras estrelas se formaram, forneceram radiação ultravioleta que causou mudanças na distribuição dos estados de energia dos átomos de hidrogênio. Essas mudanças induziram o único elétron do hidrogênio a girar no mesmo ou no sentido oposto ao giro do seu próton, fazendo com que o hidrogênio como um todo se "desacoplasse" da radiação cósmica de fundo. Como resultado, o gás hidrogênio começou a emitir ou absorver essa radiação, com um comprimento de onda característico de 21 centímetros, equivalente a uma frequência de 1.420 megahertz. À medida que o Universo se expandia ao longo do tempo, essa radiação se tornou "deslocada para o vermelho" em frequências mais baixas. No momento em que esta radiação de 21 centímetros atinge a Terra nos dias de hoje, chega na faixa de 100 megahertz.
Rogers e seus colegas usaram o EDGES para tentar detectar o hidrogênio que existia durante a evolução muito precoce do Universo, a fim de identificar quando as primeiras estrelas nasceram.
"Existe um grande desafio técnico para fazer essa detecção", diz Peter Kurczynski, diretor de programas de Tecnologias e Instrumentação Avançadas, na Divisão de Ciências Astronômicas da Fundação Nacional de Ciências. "Fontes de ruído podem ser mil vezes mais intensas do que o sinal que procuramos. É como estar no meio de um furacão e tentar ouvir o bater de asas de um colibri".
A pequena antena que detectou os sinais fracos de hidrogênio fica em uma região remota do oeste da Austrália, onde há muito poucos sinais de rádio produzidos por tecnologia humana para interferir com as ondas de rádio recebidas do universo distante. A antena detecta ondas de rádio de todo o céu, e os pesquisadores originalmente o sintonizaram para ouvir em uma faixa de frequência de 100 a 200 megahertz.
No entanto, quando os pesquisadores analisaram dentro desse intervalo, eles inicialmente não conseguiram pegar muita coisa. Eles perceberam que os modelos teóricos haviam predito que o hidrogênio primordial deveria emitir dentro desse intervalo se o gás fosse mais quente do que o meio circundante. Mas e se o gás fosse mais frio? Nesse caso, os modelos preveem que o hidrogênio deve absorver radiação mais fortemente na faixa de frequência de 50 a 100 megahertz.
"Assim que mudamos o nosso sistema para esta faixa mais baixa, começamos a detectar coisas que que podem ser uma assinatura real", diz Rogers.
Especificamente, os pesquisadores observaram um perfil de absorção achatado, ou um declive nas ondas de rádio, em torno de 78 megahertz.
O declive nas ondas de rádio foi mais forte e mais profundo do que os modelos teóricos previstos, sugerindo que o gás hidrogênio na época era mais frio do que se pensava anteriormente. O perfil das ondas de rádio também corresponde às previsões teóricas do que seria produzido se o hidrogênio fosse realmente influenciado pelas primeiras estrelas.
Os pesquisadores dizem que esta nova detecção levanta a cortina em uma fase anteriormente obscura na evolução do Universo.

Fonte: Massachusetts Institute of Technology (MIT)