Uma equipe de astrônomos desenvolveu um método que lhes permitirá "ver" através do nevoeiro do universo primitivo e detectar a luz das primeiras estrelas e galáxias.
Os investigadores, liderados pela Universidade de Cambridge, desenvolveram uma metodologia que lhes permitirá observar e estudar as primeiras estrelas através das nuvens de hidrogénio que encheram o universo cerca de 378.000 anos após o Big Bang.

Observar o nascimento das primeiras estrelas e galáxias tem sido um objetivo dos astrônomos há décadas, pois ajudará a explicar como o universo evoluiu do vazio após o Big Bang para o complexo reino de objetos celestes que observamos hoje, 13,8 bilhões de anos depois.

O Square Kilometer Array (SKA) – um telescópio de próxima geração que deve ser concluído até o final da década – provavelmente será capaz de fazer imagens da luz mais antiga do universo, mas para os telescópios atuais o desafio é detectar o fenômeno cosmológico sinal das estrelas através das espessas nuvens de hidrogênio.

Espera-se que o sinal que os astrônomos pretendem detectar seja aproximadamente cem mil vezes mais fraco do que outros sinais de rádio vindos também do céu – por exemplo, sinais de rádio originados em nossa própria galáxia.

O próprio uso de um radiotelescópio introduz distorções no sinal recebido, o que pode obscurecer completamente o sinal cosmológico de interesse. Isso é considerado um desafio observacional extremo na cosmologia de rádio moderna. Tais distorções relacionadas a instrumentos são comumente apontadas como o principal gargalo nesse tipo de observação.

Agora, a equipe liderada por Cambridge desenvolveu uma metodologia para ver através das nuvens primordiais e outros sinais de ruído do céu, evitando o efeito prejudicial das distorções introduzidas pelo radiotelescópio. Sua metodologia, parte do experimento REACH (Radio Experiment for the Analysis of Cosmic Hydrogen), permitirá que os astrônomos observem as primeiras estrelas por meio de sua interação com as nuvens de hidrogênio, da mesma forma que inferimos uma paisagem observando sombras no névoa.

Seu método melhorará a qualidade e a confiabilidade das observações de radiotelescópios que observam esse momento chave inexplorado no desenvolvimento do universo. As primeiras observações do REACH são esperadas ainda este ano.

Os resultados são divulgados hoje na revista Nature Astronomy .

"Na época em que as primeiras estrelas se formaram, o universo estava praticamente vazio e composto principalmente de hidrogênio e hélio", disse o Dr. Eloy de Lera Acedo, do Laboratório Cavendish de Cambridge, principal autor do artigo.

Ele acrescentou:"Por causa da gravidade, os elementos eventualmente se juntaram e as condições eram adequadas para a fusão nuclear, que foi o que formou as primeiras estrelas. Mas elas estavam cercadas por nuvens do chamado hidrogênio neutro, que absorvem a luz muito bem, então é difícil detectar ou observar diretamente a luz atrás das nuvens."

Em 2018, outro grupo de pesquisa (executando o "Experiment to Detect the Global Epoch of Reionozation Signature" - ou EDGES) publicou um resultado que sugeria uma possível detecção dessa luz mais antiga, mas os astrônomos não conseguiram repetir o resultado - levando-os acreditar que o resultado original pode ter sido devido à interferência do telescópio em uso.

"O resultado original exigiria uma nova física para explicá-lo, devido à temperatura do gás hidrogênio, que deve ser muito mais fria do que nossa compreensão atual do universo permitiria. Alternativamente, uma temperatura mais alta inexplicável da radiação de fundo - normalmente assumida como seja o conhecido fundo de microondas cósmico - pode ser a causa", disse de Lera Acedo.

"Se pudermos confirmar que o sinal encontrado naquele experimento anterior realmente era das primeiras estrelas, as implicações seriam enormes."

A fim de estudar este período no desenvolvimento do universo, muitas vezes referido como o Amanhecer Cósmico, os astrônomos estudam a linha de 21 centímetros – uma assinatura de radiação eletromagnética do hidrogênio no início do universo. Eles procuram um sinal de rádio que mede o contraste entre a radiação do hidrogênio e a radiação por trás da névoa de hidrogênio.

A metodologia desenvolvida por de Lera Acedo e seus colegas usa estatísticas bayesianas para detectar um sinal cosmológico na presença de interferência do telescópio e ruído geral do céu, para que os sinais possam ser separados.

Para isso, foram necessárias técnicas e tecnologias de ponta em diferentes áreas.

Os pesquisadores usaram simulações para imitar uma observação real usando várias antenas, o que melhora a confiabilidade dos dados – observações anteriores dependiam de uma única antena.

"Nosso método analisa em conjunto os dados de várias antenas e em uma faixa de frequência mais ampla do que os instrumentos atuais equivalentes. Essa abordagem nos dará as informações necessárias para nossa análise de dados bayesianos", disse de Lera Acedo.

"Em essência, esquecemos as estratégias tradicionais de design e, em vez disso, focamos em projetar um telescópio adequado à maneira como planejamos analisar os dados - algo como um design inverso. Isso poderia nos ajudar a medir as coisas desde a Aurora Cósmica até a época da reionização , quando o hidrogênio no universo foi reionizado."

A construção do telescópio está sendo finalizada na reserva de rádio Karoo, na África do Sul, local escolhido por suas excelentes condições para observações de rádio do céu. Está longe de interferência de frequência de rádio feita pelo homem, por exemplo, sinais de televisão e rádio FM.

A equipe REACH de mais de 30 pesquisadores é multidisciplinar e distribuída em todo o mundo, com especialistas em áreas como cosmologia teórica e observacional, projeto de antenas, instrumentação de radiofrequência, modelagem numérica, processamento digital, big data e estatística bayesiana. O REACH é co-liderado pela Universidade de Stellenbosch na África do Sul.

O professor de Villiers, co-líder do projeto na Universidade de Stellenbosch, na África do Sul, disse:"Embora a tecnologia de antena usada para este instrumento seja bastante simples, o ambiente de implantação severo e remoto e as tolerâncias estritas exigidas na fabricação tornam este é um projeto muito desafiador para trabalhar."

"Estamos extremamente animados para ver o desempenho do sistema e temos plena confiança de que faremos essa detecção indescritível".

O Big Bang e os primeiros tempos do universo são épocas bem compreendidas, graças aos estudos da radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB). Ainda melhor compreendida é a evolução tardia e generalizada de estrelas e outros objetos celestes. Mas o tempo de formação da primeira luz no Cosmos é uma peça fundamental que faltava no quebra-cabeça da história do universo. + Explorar mais

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