Quando os astrônomos tentaram confirmar um sinal do nascimento das primeiras estrelas após o Big Bang, não viram nada.
Em 2018, astrônomos operando uma antena chamada EDGES no interior australiano relataram que as ondas de rádio de uma determinada frequência eram significativamente mais fracas do que outras ondas vindas do céu noturno. A descoberta, publicada na Nature, foi anunciada como um sinal inovador do nascimento das primeiras estrelas após o Big Bang – um evento apelidado de “amanhecer cósmico”, que deveria ter estampado tal assinatura na luz.
Além disso, a queda no espectro de rádio observada pelo EDGES parecia muito diferente do que os cosmólogos haviam previsto. Os dados sugeriram que o universo primitivo era surpreendentemente frio, desencadeando muita atividade teórica e tentativas de confirmar o sinal por outros astrônomos ao redor do mundo.
Hoje, uma dessas equipes, do Raman Research Institute em Bangalore, Índia, publicou o resultado de sua busca pelo mergulho EDGES usando uma antena de rádio chamada SARAS. Os astrônomos colocaram a antena à tona em um par de lagos remotos na Índia no início de 2020, interrompendo a coleta de dados e retornando a Bangalore horas antes do início do primeiro bloqueio de COVID em toda a cidade. Depois de passar a pandemia analisando seus dados, a equipe do SARAS agora relata na Nature Astronomy que não encontrou vestígios da queda observada pelo EDGES.
“Ele deveria ter sido reproduzido em seus dados se estivesse realmente no céu”, disse Aaron Parsons, um radioastrônomo da Universidade da Califórnia, Berkeley, que não esteve envolvido em nenhum dos experimentos. “Não vejo muito espaço de manobra lá.”
Judd Bowman, líder do experimento EDGES, baseado na Arizona State University, diz que é necessário mais trabalho para resolver o problema. “Estamos empolgados em ver os resultados de suas primeiras observações”, escreveu ele em um e-mail, acrescentando que “dada a dificuldade em fazer esses tipos de observações, há um processo substancial pela frente para avaliar e integrar esse novo trabalho ao processo em andamento. investigação.”
Os átomos de hidrogênio absorvem e emitem naturalmente ondas de rádio com comprimento de onda de 21 centímetros; são essas ondas que o EDGES e o SARAS pretendiam detectar. Durante sua jornada para a Terra, as ondas tornam-se esticadas pela expansão do universo. As ondas de nuvens de hidrogênio mais distantes se expandem por mais tempo e atingem a Terra com comprimentos de onda mais longos do que as ondas emitidas mais recentemente por nuvens mais próximas. O alongamento da luz dá aos astrônomos um registro de eventos na história cósmica.
Os astrônomos usaram a emissão de 21 centímetros para estudar galáxias próximas por mais de meio século. Mas, mais recentemente, com experimentos como EDGES e SARAS, eles começaram a medir comprimentos de onda mais longos, que são mais obscurecidos por interferência de rádio terrestre e galáctica, em busca de emissões de nuvens de hidrogênio mais profundas no passado.
Quando os átomos de hidrogênio se formaram, eles absorveram e emitiram radiação ambiente de 21 centímetros em taxas iguais, o que tornou as nuvens de hidrogênio que enchiam o universo primordial efetivamente invisíveis.
Então veio o amanhecer cósmico. A radiação ultravioleta das primeiras estrelas excitou transições atômicas que permitiram que os átomos de hidrogênio absorvessem mais ondas de 21 centímetros do que emitiam. Visto da Terra, esse excesso de absorção apareceria como uma queda no brilho em um comprimento de onda de rádio específico, marcando o momento em que as estrelas se acenderam.
Com o tempo, as primeiras estrelas entraram em colapso em buracos negros. O gás quente girando em torno desses buracos negros gerou raios X que aqueceram as nuvens de hidrogênio em todo o universo, aumentando a taxa de emissões de 21 centímetros. Observaríamos isso como um aumento no brilho em um comprimento de onda de rádio ligeiramente menor do que o da luz mais antiga. O resultado líquido seria uma queda no brilho em uma estreita faixa de comprimento de onda de rádio, como a detectada pelo EDGES.
Mas a queda observada, que ocorreu em torno de um comprimento de onda de 4 metros, não foi o que os cosmólogos teóricos esperavam: o tempo e a forma da calha estavam errados, indicando que as primeiras estrelas se acenderam surpreendentemente cedo e que os raios X inundaram o universo em breve. depois. Mais estranho ainda, a queda foi muito pronunciada, sugerindo que o hidrogênio no início do universo era mais frio do que os modelos teóricos previam, possivelmente por causa de interações exóticas com a matéria escura que preenche o cosmos.
Ou talvez o mergulho EDGES tenha uma origem mais mundana.
As emissões de 21 centímetros de hidrogênio da era do amanhecer cósmico atingem a Terra com comprimentos de onda de vários metros, na faixa usada para transmissões de rádio e televisão FM; é por isso que a EDGES operava em um local tão remoto. Além disso, o sinal é sobrecarregado por emissões de rádio milhares de vezes mais brilhantes de nossa própria galáxia e é distorcido por sua passagem pelas camadas superiores da atmosfera da Terra.
Não menos importantes são os efeitos sutis da própria antena. O ambiente de uma antena de rádio pode alterar ligeiramente a área do céu noturno à qual ela é sensível. Em um experimento tão preciso, mesmo reflexos fracos de superfícies a dezenas de metros de distância podem ser importantes. O efeito de tais reflexões seria aprimorado em certos comprimentos de onda de rádio, resultando em uma pequena variação na área de observação da antena – e, portanto, potencialmente no brilho medido – em diferentes comprimentos de onda.
A equipe do EDGES viu esse tipo de ondulação em seus dados, e os principais culpados, talvez apropriadamente, foram as bordas de uma tela de metal de 30 metros de largura colocada no chão ao redor da antena para bloquear as emissões de rádio do próprio solo. A equipe corrigiu possíveis reflexões dessas bordas em sua análise, mas, como alguns astrônomos notaram na época, se a correção estivesse um pouco errada, o resultado poderia ser uma queda no brilho de fundo em uma estreita faixa de comprimento de onda indistinguível de um cósmico real. sinal do amanhecer.
A equipe da SARAS adotou uma abordagem diferente para o projeto de antenas em busca de uma sensibilidade mais uniforme em todos os comprimentos de onda. “Toda a filosofia de design é preservar essa suavidade espectral”, disse Saurabh Singh, principal autor do artigo da SARAS. A antena – um cone de alumínio apoiado em uma jangada de isopor – flutuava no meio de um lago plácido para garantir que não houvesse reflexos por mais de 100 metros em qualquer direção horizontal, o que Parsons chamou de “uma abordagem muito legal e inovadora”. Além disso, a baixa velocidade da luz na água reduziu o efeito dos reflexos do fundo do lago, e a densidade uniforme da água tornou o ambiente muito mais fácil de modelar.
No final, a equipe do SARAS mediu um espectro suave em torno de comprimentos de onda de 4 metros, sem nenhum sinal do mergulho profundo visto pelo EDGES. (Se há alguma queda ainda precisa ser determinado; Parsons enfatiza que a equipe do SARAS precisará fazer mais trabalho para entender as sutilezas de sua própria medição.)
H. Cynthia Chiang, uma radioastrônoma da Universidade McGill em Montreal que não esteve envolvida em nenhum dos experimentos, diz que tanto o EDGES quanto o SARAS foram extremamente minuciosos em seus procedimentos de calibração e análise, e que é muito cedo para dizer qual resultado está correto. “O nível de desacordo é suficiente para deixar as pessoas desconfortáveis, mas acho que está longe do fim da história”, disse ela. “Do meu ponto de vista, isso aumenta a emoção.” Ela está liderando outro experimento de acompanhamento chamado PRIZM, que operará em uma pequena ilha a 1.000 quilômetros da ponta sul da África do Sul, onde a interferência de rádio terrestre – o principal desafio para a SARAS – está quase totalmente ausente.
Parsons espera que o resultado nulo do SARAS se mantenha. Se assim for, isso pode significar que o sinal cósmico do amanhecer é simplesmente muito fraco para os instrumentos atuais. “Mas não acho que isso deva tirar a enorme quantidade de inovação que [EDGES] teve ao impulsionar esse campo”, disse ele.
Publicado em 01/03/2022 23h04
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