IMPRESSÕES DIGITAIS DAS PRIMEIRAS ESTRELAS DO UNIVERSO 2 de março de 2018
Esta impressão de artista mostra as primeiras estrelas, massivas e azuis, do Universo, embebidas em filamentos gasosos, com o fundo cósmico de micro-ondas visível nos limites. Usando observações de rádio do Universo distante, investigadores descobriram a influência destas primeiras estrelas no gás primordial. Embora não possam ver diretamente a luz das estrelas massivas, a equipa foi capaz de inferir a sua presença pela diminuição da radiação cósmica de fundo, um resultado dos filamentos gasosos que absorvem a radiação ultravioleta das estrelas. A radiação cósmica de fundo é mais fraca do que se esperava, indicando que os filamentos podem ser mais frios do que o esperado, possivelmente devido a interações com a matéria escura.
Crédito: N. R. Fuller, NSF
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Há muito tempo, cerca de 400.000 após o Big Bang, o Universo era escuro. Não havia estrelas ou galáxias e estava repleto, principalmente, de hidrogénio gasoso neutro.
Durante os 50-100 milhões de anos seguintes, a gravidade aglomerou lentamente as regiões mais densas de gás até que colapsaram nalguns locais para formar as primeiras estrelas.
Como eram essas primeiras estrelas e quando se formaram? Como é que afetaram o resto do Universo? Estas são questões que os astrónomos e os astrofísicos há muito tempo ponderam.
Agora, após 12 anos de esforço experimental, uma equipa de cientistas liderada pelo astrónomo Judd Bowman da Escola de Exploração Terrestre e Espacial da Universidade Estatal do Arizona descobriu indícios das primeiras estrelas no Universo. Usando sinais de rádio, a deteção fornece as primeiras evidências dos antepassados mais velhos da nossa árvore genealógica cósmica, nascidos uns meros 180 milhões de anos após o início do Universo.
Esta deteção envolveu um grande desafio técnico, já que as fontes de ruído podem ser mil vezes mais brilhantes do que o sinal - é como estar no meio de um furacão e tentar ouvir o bater das asas de um beija-flor," comenta Peter Kurczynski, do NSF que apoiou este estudo. "Estes investigadores, com uma pequena antena de rádio no deserto, viram mais longe do que os telescópios espaciais mais poderosos, abrindo uma nova janela no Universo inicial."
Radioastronomia
Para encontrar estas impressões digitais, a equipa de Bowman usou um instrumento terrestre chamado espectrómetro de rádio, localizado no Observatório de Radioastronomia Murchison da Agência Científica Nacional Australiana. Através do instrumento EDGES (Experiment to Detect the Global EoR Signature), a equipa mediu o espectro de rádio médio de todos os sinais astronómicos recebidos ao longo da maioria do céu do hemisfério sul e procurou pequenas mudanças na energia como função do comprimento de onda (ou frequência).
À medida que as ondas de rádio entram na antena terrestre, são ampliadas por um recetor e, em seguida, digitalizadas e registadas por computador, da mesma maneira que os recetores rádio FM e TV funcionam. A diferença é que o instrumento está calibrado muito precisamente e projetado para funcionar o mais uniformemente possível em vários comprimentos de onda de rádio.
Os sinais detetados pelo espectrómetro de rádio neste estudo vieram do hidrogénio gasoso primordial que preenchia o jovem Universo e existia entre todas as estrelas e galáxias. Estes sinais possuem uma riqueza de informações que abre uma nova janela sobre como as primeiras estrelas - e mais tarde os buracos negros e as galáxias - se formaram e evoluíram.
"É improvável que, durante as nossas vidas, possamos ver ainda mais cedo a história das estrelas," acrescenta Bowman. "Este projeto mostra que uma nova técnica promissora pode funcionar e abriu caminho para décadas de novas descobertas astrofísicas."
Esta deteção destaca a excecional quietude de rádio do Observatório Murchison, particularmente porque a característica encontrada pelo EDGES sobrepõe-se à frequência usada pelas estações de rádio FM. A legislação nacional australiana limita o uso de transmissores de rádio até 260 km do local, reduzindo substancialmente a interferência que, de outra forma, podia afogar as sensíveis observações astronómicas.
Os resultados deste estudo foram recentemente publicados na revista Nature por Bowman, com os coautores Alan Rogers do Observatório Haystack do MIT (Massachusetts Institute of Technology), Rauel Monsalve da Universidade do Colorado e Thomas Mozdzen e Nivedita Mashesh também da Escola de Exploração Terrestre e Espacial da Universidade Estatal do Arizona.
Resultados inesperados
Os resultados confirmam as expetativas teóricas gerais de quando as primeiras estrelas se formaram e as propriedades mais básicas das primeiras estrelas.
"O que aconteceu neste período é que parte da radiação das primeiras estrelas começa a permitir com que o hidrogénio seja visto," comenta Rogers. "Está a fazer com que o hidrogénio comece a absorver a radiação de fundo, de modo que começamos a vê-lo em silhueta em frequências de rádio específicas. Este é o primeiro sinal real de que as estrelas estão a começar a formar-se e a começar a afetar o meio em seu redor."
A equipa originalmente ajustou o seu instrumento para olhar mais tarde no tempo cósmico, mas em 2015 decidiram ampliar a sua busca.
"Assim que mudámos o nosso sistema para esta banda mais baixa, começámos a ver coisas que achámos podiam ser uma assinatura real," comenta Rogers. "Vemos esta diminuição mais fortemente perto dos 78 megahertz e essa frequência corresponde a aproximadamente 180 milhões de anos após o Big Bang. Em termos de deteção direta de um sinal do hidrogénio gasoso propriamente dito, esta deve ser a mais antiga."
O estudo também revelou que o gás no Universo era provavelmente muito mais frio do que o esperado - menos de metade da temperatura prevista. Isto sugere que ou os esforços teóricos dos astrofísicos ignoraram algo significativo ou que esta pode ser a primeira evidência de física não-padrão: especificamente, que os bariões (matéria normal) podem ter interagido com a matéria escura e lentamente ter perdido energia para a matéria escura no início do Universo, um conceito originalmente proposto por Rennan Barkana da Universidade de Tel Aviv.
"Se a ideia de Barkana for confirmada, então aprendemos algo novo e fundamental acerca da misteriosa matéria escura que representa 85% da matéria no Universo, fornecendo o primeiro vislumbre da física para lá do modelo padrão," comenta Bowman.
Os próximos passos nesta linha de investigação são que outro instrumento confirme a deteção desta equipa e será melhorar o desempenho dos instrumentos, de modo que se possa aprender mais sobre as propriedades das primeiras estrelas.
"Trabalhámos arduamente nos últimos dois anos para validar a deteção, mas ter outro grupo a confirmá-la de forma independente é uma parte crítica do processo científico," explica Bowman.
Bowman também gostaria de ver uma aceleração dos esforços para utilizar novos radiotelescópios como o HERA (Hydrogen Epoch of Reionization Array) e o OVRO-LWA (Owens Valley Long Wavelength Array).
"Agora que sabemos que este sinal existe, precisamos rapidamente de colocar online novos radiotelescópios que serão capazes de minar o sinal muito mais profundamente," disse.
Esta linha temporal atualizada do Universo reflete a descoberta recente de que as primeiras estrelas se formaram cerca de 180 milhões de anos aós o Big Bang.
Crédito: N. R. Fuller/NSF
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O espectrómetro terrestre de rádio EDGES, no Observatório de Radioastronomia Murchison, Austrália. Em cada instrumento, ondas de rádio são recolhidas por uma antena que consiste de dois painéis metálicos retangulares montados horizontalmente em pernas de fibra de vidro por cima de uma rede metálica.
Crédito: CSIRO Austrália
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