Nosso conhecimento atual da física sugere que existem dois tipos principais de matéria no universo, conhecidos como matéria escura e bariônica. A matéria escura é feita de material que os cientistas não podem observar diretamente, pois não emite luz nem energia. Por outro lado, a matéria bariônica é composta de matéria atômica normal, incluindo prótons, nêutrons e elétrons.

Em contraste com a matéria escura, matéria bariônica pode interagir com fótons, dando origem ao que é conhecido como oscilações acústicas bárions (BAOs), que são essencialmente flutuações de densidade causadas por ondas acústicas. Ao produzir BAOs, as mesmas interações também geram velocidades relativas supersônicas entre a matéria escura e os bárions.

Essas velocidades geradas são conhecidas por impedir a formação das primeiras estrelas no amanhecer cósmico, a era após o Big Bang, quando as primeiras estrelas e galáxias surgiram, modulando o sinal esperado desta era específica. Em um estudo fascinante de duas partes, um pesquisador da Universidade de Harvard mostrou recentemente que esta modulação de sinal assume a forma de oscilações acústicas induzidas por velocidade (VAOs) robustas, o que poderia, por sua vez, fornecer informações valiosas sobre a era do amanhecer cósmico.

"A ideia de que a matéria escura e os bárions têm uma grande velocidade relativa existe desde 2010, "Julian B. Muñoz, o pesquisador que realizou o estudo, disse a Phys.org. "Na verdade, nesse mesmo ano, outros pesquisadores perceberam que essa velocidade relativa teria um grande impacto na formação das primeiras estrelas. Embora não possamos ver essas estrelas diretamente, como eles estão muito distantes e escuros, eles podem ser detectados indiretamente usando a linha de hidrogênio de 21 cm. "

Quando Muñoz começou a trabalhar em seu projeto, ele inicialmente queria implementar os efeitos da velocidade relativa usando um código de simulação público conhecido como 21cmFAST, que é a ferramenta padrão usada por cosmologistas para entender o sinal cósmico de 21 cm. Ele então apresentou os resultados dessas simulações em um artigo publicado em Revisão Física D .

"Ao conduzir minhas simulações, Percebi que adicionar as velocidades produz oscilações acústicas induzidas por velocidade (VAOs) robustas no sinal de 21 cm, que têm a mesma origem que as oscilações acústicas bárions (BAOs) a que estamos acostumados, mas são produzidos por velocidades relativas, e não sobre / sub-densidades, "Disse Muñoz." Esses VAOs imprimem a escala acústica bariônica de 150 Mpc nos mapas de 21 cm, que pode então ser usada como uma régua padrão. "

Em um novo artigo publicado em Cartas de revisão física , Muñoz então introduziu a ideia de que os VAOs, em última análise, decorrentes do acoplamento de matéria bariônica e fótons resultam no sinal de 21 cm (normalmente usado para detectar estrelas) oscilando espacialmente, com um período conhecido de 150 Mpc (cerca de 450 milhões de anos-luz). Ele então sugere que, como a forma e as características dessas oscilações são conhecidas, eles podem ser usados ​​como uma régua padrão para medir o tamanho do universo durante o amanhecer cósmico (ou seja, um quarto de bilhão de anos após o Big Bang).

A ideia apresentada por Muñoz é no mínimo fascinante, já que os astrofísicos atualmente não têm outra maneira de acessar esta era cósmica específica. Em outras palavras, esta medida ou 'régua padrão' seria a primeira de seu tipo, abrindo novas possibilidades interessantes para estudos relacionados ao sinal de 21 cm, como o projeto da época do hidrogênio da matriz de reionização (HERA).

O projeto HERA é uma colaboração entre astrofísicos e pesquisadores dos EUA, Instituições sul-africanas e britânicas objetivam construir um telescópio que possa detectar de forma robusta a assinatura do espectro de energia do hidrogênio com deslocamento para o vermelho da época de reionização (EOR). Um outro objetivo deste projeto será a coleta de dados que possam ampliar a compreensão atual da era do amanhecer cósmico.

“Um dos objetivos do meu projeto era incluir as velocidades relativas no código público de 21 cm 21cmFAST, uma vez que eles mudam todas as previsões durante o amanhecer cósmico, "Disse Muñoz." Isso é necessário para entender o sinal de 21 cm que esperamos ser detectado nos próximos anos, por exemplo, pela colaboração HERA. "

Como Muñoz continua a explicar, a modulação induzida pelos VAOs é um fenômeno interessante em si, à medida que a física acústica dos bárions fica impressa na distribuição das primeiras estrelas e, portanto, em mapas de 21 cm. Precisamente porque a física acústica dos bárions é conhecida, essas velocidades podem fornecer uma régua padrão robusta durante o amanhecer cósmico.

"Medir o tamanho do universo durante o amanhecer cósmico seria emocionante, visto que esta era está a meio caminho entre a radiação cósmica de fundo (CMB) e o universo local, que estão em desacordo sobre as medições do tamanho do universo (a famosa tensão H0 entre supernovas e dados CMB), "Disse Muñoz.

A colaboração do HERA em breve começará a coletar dados relacionados ao sinal de energia de 21 cm emitido na madrugada cósmica. Assim que esses dados estiverem disponíveis, poderia ser usado para medir a taxa de expansão do universo durante o amanhecer cósmico, uma era que até agora permanece um mistério devido à falta de ferramentas para investigá-la. Quando isso acontece, as ideias apresentadas por Muñoz podem ser extremamente valiosas, como eles destacam o possível uso de VAOs como uma régua padrão durante esta época anteriormente não comprovada.

Embora a teoria apresentada neste projeto possa ser de grande valor, alguns aspectos dos VAOs ainda são mal compreendidos. Em seu trabalho futuro, Muñoz planeja continuar investigando VAOs, por exemplo, tentando entender melhor como eles modulam o feedback na primeira formação estelar, o que atualmente não está claro.

"Também pretendo refinar as previsões, incluindo modelos mais complexos de primeiro plano e ruído, que imitam os do instrumento HERA, como é muito provável que o HERA observe esses VAOs na próxima década, "Disse Muñoz.

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