Um trabalho recente do ICRAR sugere que o Universo não começou a Época da Reionização num estado ultrafrio, como muitas hipóteses assumiam, mas sim já com algum nível de aquecimento - o suficiente para pôr em causa cenários de reionização a temperaturas extremamente baixas.
A conclusão surgiu durante a procura de um sinal particularmente difícil de detetar, associado à Época da Reionização: o período em que as primeiras estrelas se acenderam, aproximadamente mil milhões de anos após o Big Bang.
Porque é que a temperatura do cosmos nessa fase é tão importante?
Se, nessa altura, o meio entre galáxias estava pelo menos “morno”, isso elimina modelos em que a ionização do hidrogénio teria ocorrido sob condições de frio extremo. Em termos práticos, a medição indica que a reionização não pode ter sido um processo conduzido num ambiente quase gelado.
Cathryn Trott, radioastrónoma e responsável pelo projeto da Época da Reionização no ICRAR, explica que, à medida que o Universo cresce, o gás intergaláctico tende a expandir-se e a arrefecer - pelo que seria expectável que estivesse muito, muito frio. No entanto, as medições apontam para um aquecimento mínimo, mas suficiente para excluir a “reionização muito fria”. Segundo a investigação, esse aquecimento terá sido impulsionado pela energia de fontes precoces de raios X, provavelmente associadas a buracos negros primordiais e a remanescentes estelares, cuja radiação se foi propagando pelo Universo.
Da Idade das Trevas à Época da Reionização: como o Universo ganhou transparência
A chamada Idade das Trevas da Humanidade pareceria luminosa quando comparada com o que o Universo viveu na sua juventude. Antes de existirem estrelas e galáxias, praticamente não havia grandes fontes de luz: predominavam nuvens de hidrogénio neutro, que se mantinham dispersas e, ao longo de centenas de milhares de anos, se foram agregando lentamente.
Com o tempo, algumas regiões desses gases colapsaram e deram origem à primeira geração de estrelas, mais intensas do que as que vemos hoje. A energia libertada por esses astros ionizou o hidrogénio cósmico, o que dá nome ao período: Época da Reionização.
Quando o hidrogénio perde os seus eletrões, as vastas nuvens tornam-se transparentes à luz. Isso permite-nos, atualmente, observar muito mais longe no espaço e no tempo. Em contrapartida, essa mesma transparência torna difícil reconstruir diretamente como era o Universo durante - e sobretudo antes - dessa fase.
A “linha do hidrogénio” e a onda de 21 centímetros: a pista que atravessa as nuvens
Para contornar estas limitações, os astrónomos dependem de um sinal de rádio conhecido como linha do hidrogénio: uma onda eletromagnética com 21 centímetros de comprimento, prevista para atravessar nuvens de material que dispersam as ondas mais curtas da luz visível. Esse sinal funciona como uma espécie de portador de informação essencial sobre o período das trevas cósmicas.
Como o ICRAR usa o radiotelescópio MWA na Austrália Ocidental
A equipa do ICRAR tem recorrido ao radiotelescópio Matriz de Campo Amplo de Murchison (MWA), na Austrália Ocidental, para tentar encontrar esse traço ténue. O grande obstáculo é que o Universo está repleto de emissões em rádio.
Ridhima Nunhokee, radioastrónoma do ICRAR, sublinha que estas fontes incluem emissões de estrelas e galáxias relativamente próximas, interferências da atmosfera da Terra e até ruído produzido pelo próprio instrumento. Só depois de remover cuidadosamente estes sinais de primeiro plano (“foreground signals”) é que o que sobra poderá revelar informação da Época da Reionização.
A investigadora acrescenta que, no âmbito deste trabalho, foram desenvolvidas abordagens para lidar com a contaminação do primeiro plano: subtrair o que não interessa, compreender melhor o comportamento do radiotelescópio e aproximar-se de um registo mais limpo. Além disso, foi possível combinar cerca de 10 anos de dados do MWA, aumentando o tempo efetivo de observação do céu para níveis sem precedentes na experiência da equipa.
O sinal ainda não apareceu - mas os dados já mudaram o que se pensava sobre o Universo inicial
Apesar de o estudo ainda não ter conseguido expor claramente a tão procurada linha do hidrogénio, o volume e a qualidade dos dados colocam os investigadores mais perto do objetivo do que nunca. E, pelo caminho, surgiu uma peça nova no puzzle: a indicação de que o cosmos inicial terá sido pré-aquecido antes de a reionização ocorrer.
Este resultado tem implicações diretas na forma como se modela a evolução do gás intergaláctico: se existiu aquecimento antecipado, então as fontes energéticas precoces (como raios X associados a buracos negros e remanescentes estelares) podem ter tido um papel mais relevante do que algumas simulações assumiam.
Também reforça a necessidade de estratégias cada vez mais rigorosas de calibração e remoção de sinais de primeiro plano, porque um detalhe aparentemente pequeno - como uma diferença de temperatura média do meio - pode separar modelos plausíveis de cenários que já não se sustentam.
O que se segue na procura pela linha do hidrogénio
Com a entrada de mais radiotelescópios nesta corrida num futuro próximo, os autores consideram que a deteção deverá ser uma questão de tempo. Para Nunhokee, o sinal está de facto escondido nos dados: o desafio passa por refinar a qualidade, aumentar a quantidade e obter medições progressivamente mais limpas até o isolar.
A investigação foi divulgada em dois artigos no Jornal Astrofísico.
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