Graças aos telescópios mais avançados, os astrônomos de hoje podem ver como os objetos eram 13 bilhões de anos atrás, cerca de 800 milhões de anos após o Big Bang. Infelizmente, eles ainda são incapazes de romper o véu da Idade das Trevas cósmica, um período que durou de 370, 000 a 1 bilhão de anos após o Big Bang, onde o Universo foi reduzido com hidrogênio neutro que obscurece a luz. Por causa disso, nossos telescópios não podem ver quando as primeiras estrelas e galáxias se formaram - ca. 100 a 500 milhões de anos após o Big Bang.

Este período é conhecido como Cosmic Dawn e representa a "fronteira final" das pesquisas cosmológicas para os astrônomos. Novembro deste ano, A próxima geração do James Webb Space Telescope (JWST) da NASA será finalmente lançado ao espaço. Graças à sua sensibilidade e ótica infravermelha avançada, Webb será o primeiro observatório capaz de testemunhar o nascimento de galáxias. De acordo com um novo estudo da Université de Genève, Suíça, a capacidade de ver o Cosmic Dawn fornecerá respostas aos maiores mistérios cosmológicos de hoje.

A pesquisa foi liderada pelo Dr. Hamsa Padmanabhan, física teórica e Collaboratrice Scientifique II na Université de Genève. Ela também é a principal investigadora da Swiss National Science Foundation (SNSF) e recebeu o Ambizione Grant 2017 (financiamento de pesquisa concedido pelo SNSF) por seu projeto independente, intitulado "Sondando o Universo:por meio da reionização e além."

Para os astrônomos e cosmologistas de hoje, a capacidade de observar a Aurora Cósmica representa uma oportunidade de responder aos mistérios cósmicos mais duradouros. Embora a luz mais antiga do Universo ainda seja visível hoje como o Fundo de Microondas Cósmico (CMB), o que se seguiu logo depois (e até cerca de 1 bilhão de anos após o Big Bang) tem sido historicamente invisível para nossos instrumentos mais avançados.

Isso manteve as mentes científicas no escuro (sem trocadilhos!) Em vários assuntos cosmológicos importantes. Não só as primeiras estrelas e galáxias se formaram durante a "Idade das Trevas, "trazendo gradualmente luz para o Universo, foi também nessa época que ocorreu a "Reionização Cósmica". Este período de transição é quando acredita-se que quase todo o gás neutro que permeou o Universo se transformou em prótons e elétrons (também conhecidos como bárions) que constituem toda a matéria "normal".

Infelizmente, os astrônomos não conseguiram estudar este período da história cósmica. Grande parte do problema decorre de como a luz dessa época foi desviada para o vermelho a ponto de ser visível em uma parte do espectro de rádio que é inacessível aos instrumentos modernos (a linha de transição de 21 cm). Mas, como o Dr. Padmanabhan explicou à Universe Today por e-mail, esta não é a única barreira para estudar o Universo primitivo:

“Esse período tem nos iludido até agora em observações devido ao alto nível de sensibilidade necessário para fazer a detecção da emissão, combinado com o desafio de detectar o sinal extremamente fraco (que vem do gás hidrogênio presente no início do Universo) na presença de emissão de primeiro plano (principalmente de nossa própria galáxia), que é cerca de 4-5 ordens de magnitude maior do que o sinal que nós deseja medir. "

Ao estudar as primeiras estrelas e galáxias em formação, os astrônomos serão capazes de ver de onde veio 90% da matéria bariônica (também conhecida como "luminosa" ou "normal") no Universo e como ela evoluiu para as estruturas cósmicas de grande escala que vemos hoje. A capacidade de modelar como o Universo evoluiu desse período até hoje também apresenta a oportunidade de ver a influência da matéria escura e da energia escura diretamente.

A partir disso, cientistas irão avaliar diferentes modelos cosmológicos, o mais amplamente aceito é o modelo Lambda-Cold Dark Matter (LCDM). Disse o Dr. Padmanabhan:

"O acesso a esta época também representa um grande salto em nosso conteúdo de informação cosmológica. Isso porque contém pelo menos 10, 000-100, 000 vezes mais informações do que está disponível no momento em todos os nossos levantamentos de galáxias até agora, bem como o que obtemos da radiação Cosmic Microwave Background (CMB). É essencialmente o maior conjunto de dados que poderíamos esperar ter para testar nossos modelos de física! Podemos explorar um conjunto de modelos de física fascinantes além do nosso modelo padrão de cosmologia. "

Isso inclui modelos que envolvem versões não padrão de Dark Matter (ou seja, "matéria escura quente"), versões modificadas da gravidade, e teorias de inflação que não envolvem Energia Escura - Dinâmica Newtoniana Modificada (MOND). Essencialmente, os cientistas serão capazes de ver a gravidade e a expansão cósmica desde o momento em que tudo começou (alguns trilionésimos de segundo após o Big Bang). Por anos, a comunidade astronômica esperou ansiosamente pelo dia em que o James Webb finalmente fosse lançado ao espaço.

Muito de sua empolgação vem do fato de que a ótica infravermelha avançada e a alta sensibilidade do observatório permitirão que ele observe as primeiras galáxias enquanto elas ainda estavam em formação. Normalmente, a luz das galáxias seria obscurecida por toda a poeira e gás interestelar e intergaláctico que existe entre elas e a Terra. Junto com os instrumentos existentes e de próxima geração, diz o Dr. Padmanabhan, essas galáxias serão observáveis ​​pela primeira vez:

"Missões como o JWST serão capazes de detectar galáxias extremamente fracas que se formaram quando o Universo tinha apenas um décimo de seu tamanho atual. Combinado com pesquisas de rádio como o SKA [Square Kilometer Array], isso nos fornecerá uma imagem abrangente das primeiras fontes luminosas e seu desenvolvimento ao longo do tempo cósmico. JWST fornece profundidade, Levantamentos do tipo 'feixe de lápis', cujo campo de visão total é da ordem de vários minutos de arco quadrado, então não acessará escalas cosmológicas, mas aumentará significativamente a nossa compreensão dos processos físicos que contribuíram para a reionização. "

"O ALMA agora detecta rotineiramente galáxias em sua linha de emissão submilimétrica, como carbono ionizado isoladamente, [CII] e oxigênio duplamente ionizado, [OIII], ambos são sondas muito interessantes de reionização. O próximo experimento COMAP-Epoch of Reionization, do qual faço parte dos planos para acessar a emissão da linha de monóxido de carbono (CO) em torno dos estágios intermediários e finais da reionização, que é um excelente marcador de formação de estrelas. Os primeiros planos não são um problema tão sério para as linhas submilimétricas. "

Isso é conhecido como abordagem multi-mensageiro, onde sinais de luz de diferentes instrumentos e em diferentes comprimentos de onda são combinados. Quando aplicado ao Cosmic Dawn, diz o Dr. Padmanabhan, esta abordagem é a ferramenta mais promissora para obter insights sobre o Universo. Especificamente, detectar ondas gravitacionais dos primeiros buracos negros supermassivos revelará como essas forças primordiais da natureza influenciaram a evolução galáctica.

"Combinando isso com o conhecimento da forma como o gás e as galáxias evoluem, que ganhamos por meio de pesquisas eletromagnéticas, isso nos fornecerá uma imagem abrangente da Cosmic Dawn, "disse ele." Será crucial para responder a uma questão notável em cosmologia e astrofísica:como os primeiros buracos negros se formaram, e qual foi a sua contribuição para a reionização? "

O potencial para montar campanhas de multi-mensageiros que combinam sinais infravermelhos de alta sensibilidade com sinais de rádio é uma das muitas maneiras pelas quais a astronomia está progredindo tão rapidamente. Além de instrumentos mais sofisticados, astrônomos também se beneficiarão de métodos aprimorados, técnicas de aprendizado de máquina mais sofisticadas, e oportunidades para pesquisa colaborativa.

Por último mas não menos importante, a capacidade de combinar sinais de diferentes matrizes (e em diferentes comprimentos de onda de energia eletromagnética) já criou novas oportunidades para campanhas de imagem sofisticadas. Um bom exemplo disso é o projeto Event Horizon Telescope (EHT), que conta com 10 radiotelescópios em todo o mundo para coletar luz de SMBHs (como nosso próprio Sagittarius A *). Em 2019, o EHT tirou a primeira imagem de um SMBH; nesse caso, aquela localizada no núcleo M87 (a galáxia elíptica supergigante de Virgem A).

A oportunidade de realizar pesquisas de ponta será abundante em um futuro próximo, e as descobertas que iremos fazer serão nada menos que revolucionárias. Embora com certeza haverá alguns contratempos ao longo do caminho e mais mistérios a serem resolvidos, uma coisa é certa:o futuro da astronomia será uma época muito emocionante!