A representação deste artista mostra primeiro o universo, maciço, estrelas azuis embutidas em filamentos gasosos, com o fundo cósmico de microondas apenas visível nas bordas. Usando observações de rádio do universo distante, Judd Bowman, da Arizona State University, pesquisadores financiados pela NSF, Alan Rogers do MIT e seus colegas descobriram a influência dessas primeiras estrelas no gás primordial. Embora eles não possam ver diretamente a luz das estrelas massivas, A equipe de Bowman foi capaz de inferir sua presença a partir do escurecimento da radiação cósmica de fundo (CMB), resultado dos filamentos gasosos que absorvem a luz ultravioleta das estrelas. O CMB está mais escuro do que o esperado, indicando que os filamentos podem ter estado mais frios do que o esperado, possivelmente de interações com matéria escura. Crédito:N.R.Fuller, Fundação Nacional de Ciências
Muito tempo atras, cerca de 400, 000 anos após o início do universo (o Big Bang), o universo estava escuro. Não havia estrelas ou galáxias, e o universo foi preenchido principalmente com gás hidrogênio neutro.
Então, pelos próximos 50-100 milhões de anos, a gravidade juntou lentamente as regiões mais densas de gás até que finalmente o gás entrou em colapso em alguns lugares para formar as primeiras estrelas.
Como foram essas primeiras estrelas e quando se formaram? Como eles afetaram o resto do universo? Essas são questões que astrônomos e astrofísicos há muito refletem.
Agora, após 12 anos de esforço experimental, uma equipe de cientistas, liderado pelo astrônomo Judd Bowman da Escola de Exploração Espacial e da ASU, detectou as impressões digitais das primeiras estrelas do universo. Usando sinais de rádio, a detecção fornece a primeira evidência para os ancestrais mais antigos em nossa árvore genealógica cósmica, nascido por meros 180 milhões de anos após o início do universo.
"Houve um grande desafio técnico para fazer essa detecção, 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 da asa de um colibri. "diz Peter Kurczynski, o oficial do programa da National Science Foundation que apoiou este estudo. "Esses pesquisadores com uma pequena antena de rádio no deserto viram mais longe do que os mais poderosos telescópios espaciais, abrindo uma nova janela no universo primitivo. "
Em cada instrumento, as ondas de rádio são coletadas por uma antena que consiste em dois painéis retangulares de metal montados horizontalmente em pernas de fibra de vidro acima de uma malha de metal. A detecção do EDGES exigiu o silêncio do rádio no Observatório de Radioastronomia de Murchison, pois a legislação nacional australiana limita o uso de transmissores de rádio perto do local. Esta descoberta prepara o terreno para observações de acompanhamento com outras poderosas instalações de baixa frequência, incluindo HERA e o próximo SKA-low. Crédito:CSIRO Austrália
Radioastronomia
Para encontrar essas impressões digitais, A equipe de Bowman usou um instrumento terrestre chamado rádio espectrômetro, localizado na agência científica nacional da Austrália (CSIRO) Murchison Radio-Astronomy Observatory (MRO) na Austrália Ocidental. Por meio de seu experimento para detectar a assinatura EoR global (EDGES), a equipe mediu o espectro de rádio médio de todos os sinais astronômicos recebidos na maior parte do céu do hemisfério sul e procurou por pequenas mudanças na potência em função do comprimento de onda (ou frequência).
Conforme as ondas de rádio entram na antena terrestre, eles são amplificados por um receptor, e então digitalizado e gravado por computador, semelhante a como os receptores de rádio FM e receptores de TV funcionam. A diferença é que o instrumento é calibrado com muita precisão e projetado para funcionar da forma mais uniforme possível em muitos comprimentos de onda de rádio.
Os sinais detectados pelo espectrômetro de rádio neste estudo vieram do gás hidrogênio primordial que preenchia o jovem universo e existia entre todas as estrelas e galáxias. Esses sinais contêm uma riqueza de informações que abre uma nova janela sobre como as primeiras estrelas - e mais tarde, buracos negros, e galáxias - formadas e evoluídas.
"É improvável que sejamos capazes de ver algo anterior na história das estrelas em nossas vidas, "diz Bowman." Este projeto mostra que uma nova técnica promissora pode funcionar e abriu o caminho para décadas de novas descobertas astrofísicas. "
Esta detecção destaca o silêncio excepcional do rádio do MRO, particularmente porque o recurso encontrado por EDGES se sobrepõe à faixa de freqüência usada por estações de rádio FM. A legislação nacional australiana limita o uso de transmissores de rádio a 161,5 milhas (260 km) do local, reduzindo substancialmente a interferência que, de outra forma, poderia abafar as observações astronômicas sensíveis.
Os resultados deste estudo foram publicados recentemente em Natureza por Bowman, com os co-autores Alan Rogers, do Observatório do Palheiro do Massachusetts Institute of Technology, Raul Monsalve, da Universidade do Colorado, e Thomas Mozdzen e Nivedita Mahesh também da Escola de Exploração Terrestre e Espacial da ASU.
Uma linha do tempo do universo, atualizado para mostrar quando as primeiras estrelas surgiram. Esta linha do tempo atualizada do universo reflete a recente descoberta de que as primeiras estrelas surgiram 180 milhões de anos após o Big Bang. A pesquisa por trás desta linha do tempo foi conduzida por Judd Bowman, da Arizona State University e seus colegas, com financiamento da National Science Foundation. Crédito:N.R.Fuller, Fundação Nacional de Ciências
Resultados inesperados
Os resultados deste experimento confirmam as expectativas teóricas gerais de quando as primeiras estrelas se formaram e as propriedades mais básicas das estrelas primitivas.
"O que está acontecendo neste período, "diz o co-autor Rogers do Observatório do Palheiro do MIT, "é que parte da radiação das primeiras estrelas está começando a permitir que o hidrogênio seja visto. Está fazendo com que o hidrogênio comece a absorver a radiação de fundo, então você começa a vê-lo em silhueta, em determinadas frequências de rádio. Este é o primeiro sinal real de que as estrelas estão começando a se formar, e começando a afetar o meio ao redor deles. "
A equipe originalmente ajustou seu instrumento para olhar mais tarde no tempo cósmico, mas em 2015 decidiu estender sua pesquisa. "Assim que mudamos nosso sistema para esta faixa inferior, começamos a ver coisas que sentimos ser uma assinatura real, "Rogers diz." Vemos essa queda mais forte em cerca de 78 megahertz, e essa frequência corresponde a cerca de 180 milhões de anos após o Big Bang, "Rogers diz." Em termos de detecção direta de um sinal do próprio gás hidrogênio, este tem que ser o mais antigo. "
O estudo também revelou que o gás no universo estava provavelmente muito mais frio do que o esperado (menos da metade da temperatura esperada). Isso sugere que os esforços teóricos dos astrofísicos negligenciaram algo significativo ou que esta pode ser a primeira evidência de física não padrão:Especificamente, que os bárions (matéria normal) podem ter interagido com a matéria escura e lentamente perdido energia para a matéria escura no início do universo, um conceito que foi originalmente proposto por Rennan Barkana da Universidade de Tel Aviv.
"Se a ideia de Barkana for confirmada, "diz Bowman, "então aprendemos algo novo e fundamental sobre a misteriosa matéria escura que constitui 85 por cento da matéria no universo, fornecendo o primeiro vislumbre da física além do modelo padrão. "
Os próximos passos nesta linha de pesquisa são para outro instrumento confirmar a detecção desta equipe e continuar melhorando o desempenho dos instrumentos, para que se possa aprender mais sobre as propriedades das estrelas primitivas. "Trabalhamos muito nos últimos dois anos para validar a detecção, "diz Bowman, "mas ter outro grupo confirmando isso de forma independente é uma parte crítica do processo científico."
Bowman também gostaria de ver uma aceleração dos esforços para trazer novos radiotelescópios como o Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA) e o Owens Valley Long Wavelength Array (OVRO-LWA).
"Agora que sabemos que esse sinal existe, "diz Bowman, "Precisamos colocar online rapidamente novos radiotelescópios que serão capazes de explorar o sinal muito mais profundamente."
As antenas e partes do receptor usadas neste experimento foram projetadas e construídas por Rogers e a equipe do MIT Haystack Observatory. A equipe ASU e a Monsalve adicionaram o sistema automatizado de medição de reflexão da antena ao receptor, equipou a cabana de controle com os eletrônicos, construiu o plano de base e conduziu o trabalho de campo para o projeto. A versão atual do EDGES é o resultado de anos de iteração de projeto e refinamento técnico detalhado contínuo da instrumentação de calibração para atingir os níveis de precisão necessários para alcançar com sucesso esta medição difícil.
