Cientistas mais Próximos do Amanhecer Cósmico

O radiotelescópio Murchison Widefield Array (MWA), uma parte da qual é retratada aqui, está procurando um sinal emitido durante a formação das primeiras estrelas do Universo. Crédito: Goldsmith / MWA Collaboration / Curtin University

Cerca de 12 bilhões de anos atrás, o Universo emergiu de uma grande idade das trevas cósmica quando as primeiras estrelas e galáxias se iluminaram. Com uma nova análise dos dados coletados pelo radiotelescópio Murchison Widefield Array (MWA), os cientistas estão agora mais perto do que nunca de detectar a assinatura ultra-fraca desse ponto de virada na história cósmica.
Em um artigo no site de pré-impressão ArXiv e a ser publicado em breve no The Astrophysical Journal, os pesquisadores apresentam a primeira análise de dados de uma nova configuração do MWA projetada especificamente para procurar o sinal de hidrogênio neutro, o gás que dominou o Universo durante a idade das trevas cósmica. A análise estabelece um novo limite - o limite mais baixo ainda - para a força do sinal neutro de hidrogênio.
"Podemos dizer com confiança que se o sinal de hidrogênio neutro fosse mais forte do que o limite estabelecido no artigo, o telescópio o detectaria", disse Jonathan Pober, professor assistente de física da Universidade Brown e autor correspondente do novo artigo. "Essas descobertas podem nos ajudar a restringir ainda mais o momento em que a idade das trevas cósmica terminou e as primeiras estrelas surgiram".
A pesquisa foi liderada por Wenyang Li, que realizou o trabalho como Ph.D. Aluno da Brown. Li e Pober colaboraram com um grupo internacional de pesquisadores que trabalhavam com o MWA.
Apesar de sua importância na história cósmica, pouco se sabe sobre o período em que as primeiras estrelas se formaram, conhecida como Época da Reionização (EoR). Os primeiros átomos que se formaram após o Big Bang foram íons de hidrogênio com carga positiva - átomos cujos elétrons foram arrancados pela energia do universo primordial. À medida que o Universo esfriava e se expandia, os átomos de hidrogênio se reuniam com seus elétrons para formar hidrogênio neutro. E isso é tudo que havia no Universo até cerca de 12 bilhões de anos atrás, quando os átomos começaram a se agrupar para formar estrelas e galáxias.  A luz desses objetos reionizou o hidrogênio neutro, fazendo com que ele desaparecesse amplamente do espaço interestelar.
O objetivo de projetos como o que está acontecendo na MWA é localizar o sinal de hidrogênio neutro da idade das trevas e medir como ele mudou à medida que a EoR se desenrolava. Fazer isso poderia revelar informações novas e críticas sobre as primeiras estrelas - os blocos de construção do Universo que vemos hoje. Mas vislumbrar esse sinal de 12 bilhões de anos é uma tarefa difícil que requer instrumentos com sensibilidade requintada.
Quando começou a operar em 2013, o MWA era um conjunto de 2.048 antenas de rádio dispostas em todo o 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 dobrou para 256, e sua configuração na paisagem foi alterada para melhorar sua sensibilidade ao sinal de hidrogênio neutro. Este novo artigo é a primeira análise de dados da matriz expandida.O hidrogênio neutro emite radiação no comprimento de onda de 21 centímetros. À medida que o Universo se expandiu nos últimos 12 bilhões de anos, o sinal da EoR foi estendido para cerca de 2 metros, e é isso que os astrônomos da MWA estão procurando. 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 essas outras fontes são muitas ordens de magnitude mais fortes do que o sinal que estamos tentando detectar", disse Pober. "Mesmo um sinal de rádio FM refletido em um avião que passa por cima do telescópio é suficiente para contaminar os dados.
"Para precisar o sinal, os pesquisadores usam uma infinidade de técnicas de processamento para eliminar esses contaminantes. Ao mesmo tempo, eles respondem pelas respostas de frequência únicas do próprio telescópio.
"Se observarmos diferentes frequências de rádio ou comprimentos de onda, o telescópio se comportará de maneira um pouco diferente", disse Pober. "A correção da resposta do telescópio é absolutamente crítica para a separação dos contaminantes astrofísicos e o sinal de interesse".
Essas técnicas de análise de dados combinadas com a capacidade expandida do próprio telescópio resultaram em um novo limite superior da força do sinal EoR. É a segunda análise consecutiva do melhor limite até o momento a ser lançada pela MWA e aumenta a esperança de que o experimento um dia detecte o indescritível sinal EoR.
"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 fato de a MWA ter identificado os dois melhores limites consecutivos no sinal dá impulso à ideia de que esse experimento e sua abordagem é muito promissor".

Fonte: PHYS.ORG