Uma equipe de cientistas que trabalha com o radiotelescópio Murchison Widefield Array (WMA) está tentando encontrar o sinal das primeiras estrelas do Universo. Essas primeiras estrelas se formaram após a Idade das Trevas do Universo. Para encontrar sua primeira luz, os pesquisadores estão procurando o sinal do hidrogênio neutro, o gás que dominou o Universo após a Idade das Trevas.
Demorou um pouco para as primeiras estrelas se formarem. Após o Big Bang, o universo estava extremamente quente; quente demais para os átomos se formarem. Sem átomos, não poderia haver estrelas. Não foi até cerca de 377.000 anos após o Big Bang que o Universo havia se expandido e resfriado o suficiente para formar átomos, principalmente hidrogênio neutro com um pouco de hélio. (E vestígios de lítio.) Depois disso, as primeiras estrelas começaram a se formar, durante a época da reionização.
Para encontrar o sinal indescritível desse hidrogênio neutro, o MWA foi reconfigurado. O MWA fica na remota Austrália Ocidental e tinha 2048 antenas de rádio dispostas em 128 “telhas” quando começou a operar em 2013. Para buscar o indescritível sinal de hidrogênio neutro, o número de telhas foi dobrado para 256 e toda a matriz foi reorganizados. Todos os dados desses receptores são alimentados em um supercomputador chamado Correlator.
Um novo artigo a ser publicado no Astrophysical Journal apresenta os resultados da primeira análise de dados da nova matriz configurada. O documento é intitulado "Resultados do espectro de potência EoR da Fase II da MWA da primeira temporada no Redshift 7." O pesquisador principal é Wenyang Li, um estudante de doutorado na Brown University.
Esta pesquisa teve como objetivo entender a força do sinal do hidrogênio neutro. A análise definiu o limite mais baixo ainda para esse sinal, um resultado importante na busca do sinal fraco.
"Podemos dizer com confiança que se o sinal de hidrogênio neutro fosse mais forte do que o limite estabelecido no artigo, o telescópio o detectaria", disse Jonathan Pober, professor assistente de física da Universidade Brown e autor correspondente do novo papel. "Essas descobertas podem nos ajudar a restringir ainda mais o momento em que a idade das trevas cósmica terminou e as primeiras estrelas surgiram".
Apesar do que parece ser uma linha do tempo detalhada dos eventos no início do Universo, existem lacunas significativas em nosso entendimento. Sabemos que, após a Idade das Trevas, a época da reionização começou. Foi quando a formação de átomos levou ao aparecimento das primeiras estruturas do Universo, como estrelas, galáxias anãs e quasares. Quando esses objetos se formaram, sua luz se espalhou pelo Universo, reionizando o hidrogênio neutro. Depois disso, o hidrogênio neutro desapareceu do espaço interestelar.
Os cientistas querem saber como o hidrogênio neutro mudou quando a Idade das Trevas deu lugar à época da reionização, e a época da reionização se desenrolou. As primeiras estrelas a se formar no Universo foram os blocos de construção da estrutura que vemos hoje e, para entendê-las, os cientistas precisam encontrar o sinal desse hidrogênio neutro inicial.
Mas isso não é fácil. O sinal é fraco e são necessários detectores extremamente sensíveis para encontrá-lo. Embora o hidrogênio neutro tenha emitido sua radiação inicialmente no comprimento de onda de 21 cm, o sinal foi esticado devido à expansão do Universo. Agora são cerca de 2 metros. Agora esse sinal de 2 metros é facilmente perdido entre uma série de outros sinais como esse, tanto naturais quanto causados por humanos. É por isso que o MWA está na remota Austrália, para isolá-lo do máximo possível de ruídos de rádio.
"Todas essas outras fontes são muitas ordens de magnitude mais fortes que o sinal que estamos tentando detectar", disse Pober. "Mesmo um sinal de rádio FM refletido em um avião que passa por cima do telescópio é suficiente para contaminar os dados."
É aqui que entra o poder de processamento do supercomputador Correlator. Ele tem o poder de descartar sinais de contaminação e também de explicar a natureza do próprio MWA.
"Se observarmos diferentes frequências de rádio ou comprimentos de onda, o telescópio se comportará de maneira um pouco diferente", disse Pober. "A correção da resposta do telescópio é absolutamente crítica para a separação dos contaminantes astrofísicos e o sinal de interesse".
A reconfiguração da matriz, as técnicas de análise de dados, o poder do supercomputador e o trabalho árduo dos pesquisadores produziram resultados. O artigo apresenta um novo limite superior para o sinal do hidrogênio neutro. É a segunda vez que os cientistas que trabalham com o MWA lançam um novo limite, mais bem ajustado. Com o progresso contínuo, os cientistas esperam encontrar o sinal indescritível.
"Esta análise demonstra que a atualização da fase dois teve muitos dos efeitos desejados e que as novas técnicas de análise melhorarão as análises futuras", disse Pober. "O fato de a MWA ter publicado os dois melhores limites consecutivos no sinal dá impulso à idéia de que esse experimento e sua abordagem têm muitas promessas".
Mais:
- Press Release: Cientistas se aproximam mais do que nunca de um sinal do amanhecer cósmico
- Trabalho de Pesquisa: Resultados da Primeira Temporada do MWA Fase II EoR no Espectro de Potência no Redshift 7
- Observatório do MIT Haystack: época da reionização
- Revista Space: Início da galáxia indica a era da reionização
