Há muito tempo, milhões de anos antes da primeira estrela surgir, todo o universo era um mar de trevas.
Começando cerca de 400.000 anos após o Big Bang e durando centenas de milhões de anos, essa chamada idade das trevas do universo marcou a última vez em que o espaço vazio realmente estava vazio; sem planetas, sóis, sem galáxias, sem vida – apenas uma névoa de átomos de hidrogênio forjada pelo Big Bang e deixada para mergulhar na escuridão.
Hoje, telescópios ao redor do mundo estão tentando vislumbrar esse hidrogênio primitivo (conhecido como hidrogênio neutro) para identificar o momento em que a idade das trevas finalmente terminou e as primeiras galáxias se formaram. Embora esses átomos antigos permaneçam imaginários, uma equipe de pesquisadores do interior australiano pode ter chegado mais perto de encontrá-los do que nunca.
De acordo com o novo estudo publicado no banco de dados de pré-impressão arXiv e que logo aparecerá no Astrophysical Journal, os astrônomos usaram o radiotelescópio Murchison Widefield Array (MWA) para investigar profundamente o passado cósmico em busca do comprimento de onda da assinatura do hidrogênio neutro. Eles não encontraram o que procuravam – no entanto, usando novas configurações na matriz recentemente atualizada do telescópio, a equipe determinou o limite mais baixo de todos os tempos para a força do sinal de hidrogênio neutro.
“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 o co-autor do estudo Jonathan Pober, professor assistente de física da Universidade Brown na Rhode Island. Isso significa que a busca por essas moléculas antigas ainda está em andamento, e agora os pesquisadores sabem que as pegadas de hidrogênio neutro são ainda mais fracas do que o previsto.
Os primeiros átomos
A energia que circulava no universo primitivo era tão forte que todos os átomos tiveram seus elétrons arrancados, dando-lhes uma carga positiva. O primeiro desses átomos foi o íon hidrogênio carregado positivamente. Ao longo de centenas de milhares de anos, o universo esfriou e se expandiu o suficiente para que esses íons de hidrogênio recuperassem seus elétrons, tornando-se neutros mais uma vez. Acredita-se que esses átomos neutros de hidrogênio sejam a característica dominante da idade das trevas cósmica. (Eventualmente, quando um número suficiente deles se juntou para formar as primeiras estrelas, os átomos foram novamente ionizados pela energia irradiada dessas estrelas.)
Como o universo começou?
Como surgiu o universo? É talvez o maior grande mistério e a raiz de todos os outros. As maiores perguntas da humanidade – Como a vida começou? O que é consciência? O que é matéria escura, energia escura, gravidade? – decorrem disso.
“Todos os outros mistérios estão a jusante dessa questão”, disse Ann Druyan, autora e viúva do astrônomo Carl Sagan. “Isso importa para mim porque sou humano e não gosto de não saber.”
Mesmo quando as teorias que tentam resolver esse mistério se tornam cada vez mais complexas, os cientistas são assombrados pela possibilidade de que alguns dos elos mais críticos em sua cadeia de raciocínio estejam errados.
Mistérios fundamentais
De acordo com o modelo padrão do Big Bang, o universo nasceu durante um período de inflação que começou cerca de 13,8 bilhões de anos atrás. Como um balão em rápida expansão, ele inchou de um tamanho menor que um elétron para quase seu tamanho atual em uma fração minúscula de segundo.
Inicialmente, o universo era permeado apenas por energia. Parte dessa energia congelou-se em partículas, que se reuniram em átomos de luz como hidrogênio e hélio. Esses átomos se aglomeraram primeiro em galáxias, depois estrelas, dentro de cujas fornalhas ardentes todos os outros elementos foram forjados.
Esta é a imagem geralmente acordada das origens do nosso universo, conforme retratada pelos cientistas. É um modelo poderoso que explica muitas das coisas que os cientistas vêem quando olham para o céu, como a notável suavidade do espaço-tempo em grandes escalas e a distribuição uniforme de galáxias em lados opostos do universo.
Mas há coisas nessa história que deixam alguns cientistas desconfortáveis. Para iniciantes, a idéia de que o universo passou por um período de inflação rápida no início de sua história não pode ser diretamente testada, e depende da existência de uma forma misteriosa de energia no início do universo, que desapareceu há muito tempo.
“A inflação é uma teoria extremamente poderosa, e ainda não temos ideia do que causou a inflação ou se é a teoria correta, embora funcione extremamente bem”, disse Eric Agol, astrofísico da Universidade de Washington.
Para alguns cientistas, a inflação é uma adição desajeitada ao modelo do Big Bang, uma complexidade necessária anexada para ajustá-lo às observações. Esta não seria a última adição.
“Também aprendemos que deve haver matéria escura no universo e agora energia escura”, disse Paul Steinhardt, físico teórico da Universidade de Princeton. “Assim, o modo como o modelo funciona hoje é você dizer: ‘OK, você pega um pouco do Big Bang, pega um pouco de inflação, ajusta isso para ter as seguintes propriedades e adiciona uma certa quantidade de matéria escura e energia escura.’ Essas coisas não estão conectadas em uma teoria coerente “.
Steinhardt teme que os cosmólogos estejam agindo mais como engenheiros do que como cientistas. Se uma observação não corresponder ao modelo atual, eles anexarão outro componente ou mexerão com os existentes para ajustá-los. Os componentes não estão conectados e não há motivo para adicioná-los, exceto para corresponder às observações. É como tentar consertar um carro velho adicionando novas peças de modelos mais novos, mas diferentes. Essas peças podem funcionar no curto prazo, mas, eventualmente, você precisa de um carro novo.
Um universo sem idade
Nos últimos anos, Steinhardt trabalhou com Anna Ijjas, uma física teórica da Universidade de Harvard, em uma alternativa radical ao modelo padrão do Big Bang.
De acordo com a idéia deles, chamada cosmologia de salto, o universo nasceu não apenas uma vez, mas possivelmente várias vezes em ciclos intermináveis ??de contração e expansão. A teoria substitui o “big bang” por um “big bounce”, que conecta suavemente períodos de contração e expansão do universo e resolve muitos dos problemas que afetam a teoria da inflação.
O par afirma que sua teoria ekpirótica, ou “cíclica”, explicaria não apenas a inflação, mas também outros mistérios cósmicos, incluindo matéria escura, energia escura e por que o universo parece estar se expandindo em um ritmo cada vez mais acelerado.
Embora controversa, a cosmologia saltitante levanta a possibilidade de o universo não ter idade e se renovar. É uma perspectiva talvez até mais inspiradora do que um universo com começo e fim definidos, pois significaria que as estrelas no céu, mesmo as mais antigas, são como vaga-lumes de vida curta no grande esquema das coisas.
“Gostaria de esperar que o esforço que a sociedade dedique à pesquisa científica esteja nos aproximando de verdades fundamentais, e não apenas uma maneira de criar ferramentas úteis”, disse o astrônomo do Instituto de Tecnologia da Califórnia, Richard Massey. “Mas também tenho pavor de descobrir que tudo o que sei está errado e secretamente espero que não.”
Os cientistas sabem que o hidrogênio neutro emite radiação no comprimento de onda de 21 centímetros – no entanto, como o universo se expandiu nos últimos 12 bilhões de anos, esses comprimentos de onda também se estenderam. Os autores do novo estudo estimaram que o comprimento de onda do hidrogênio neutro se estendeu para cerca de 2 metros – e esse é o sinal que eles procuraram nos céus para usar o MWA.
O problema é que existem muitas fontes (tanto artificiais quanto celestiais) que irradiam no mesmo comprimento de onda.
“Todas essas outras fontes são muitas ordens de magnitude mais fortes do 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”.
Assim, Pober e seus colegas escreveram um conjunto de equações para identificar e eliminar esses contaminantes em suas observações. Depois de tirar mais de 1.200 fotos de ondas de rádio do céu, os pesquisadores determinaram que todos os vestígios de emissões de 2 metros encontrados vinham de algum lugar que não fosse o hidrogênio neutro que procuravam.
Enquanto o sinal atômico precioso permanece desconhecido, a nova pesquisa consegue restringir a aparência de futuras pesquisas por hidrogênio neutro. Segundo os pesquisadores, esses resultados mostram que os experimentos da MWA estão liderando essa caçada pelo caminho certo. Com mais pesquisas, as últimas relíquias da idade das trevas cósmica poderão em breve ser trazidas à luz.
Publicado em 02/12/2019
Artigos originais:
- https://www.livescience.com/neutral-hydrogen-dark-ages-of-universe.html ;
- https://www.livescience.com/65819-how-did-the-universe-begin.html .
Estudo no ArXiv:
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