Graças aos telescópios mais avançados, os astrônomos de hoje podem ver como os objetos eram 13 bilhões de anos atrás, cerca de 800 milhões de anos após o Big Bang. Infelizmente, eles ainda são incapazes de romper o véu da Idade das Trevas cósmica, um período que durou de 370.000 a 1 bilhão de anos após o Big Bang, onde o Universo foi encolhido com hidrogênio neutro que obscurecia a luz. Por causa disso, nossos telescópios não podem ver quando as primeiras estrelas e galáxias se formaram – cerca de 100 a 500 milhões de anos após o Big Bang.
Este período é conhecido como Cosmic Dawn e representa a “fronteira final” das pesquisas cosmológicas para os astrônomos. Em novembro deste ano, a próxima geração do James Webb Space Telescope (JWST) da NASA será finalmente lançado ao espaço. Graças à sua sensibilidade e óptica infravermelha avançada, Webb será o primeiro observatório capaz de testemunhar o nascimento de galáxias. De acordo com um novo estudo da Université de Genève, Suíça, a capacidade de ver a Aurora Cósmica fornecerá respostas para os maiores mistérios cosmológicos de hoje.
A pesquisa foi liderada pela Dra. Hamsa Padmanabhan, uma física teórica e Collaboratrice Scientifique II da Université de Genève. Ela também é a principal investigadora da Swiss National Science Foundation (SNSF) e recebeu o Ambizione Grant 2017 (financiamento de pesquisa concedido pelo SNSF) por seu projeto independente, intitulado “Probing the Universe: through reionization and beyond.”
Para os astrônomos e cosmologistas de hoje, a capacidade de observar a Aurora Cósmica representa uma oportunidade de responder aos mistérios cósmicos mais duradouros. Embora a primeira luz no Universo ainda seja visível hoje como o Fundo de Microondas Cósmico (CMB), o que se seguiu logo depois (e até cerca de 1 bilhão de anos após o Big Bang) tem sido historicamente invisível para nossos instrumentos mais avançados.
Isso manteve as mentes científicas no escuro (sem trocadilhos!) Em vários assuntos cosmológicos importantes. Não apenas as primeiras estrelas e galáxias se formaram durante a “Idade das Trevas”, trazendo gradualmente luz ao Universo, foi também nessa época que ocorreu a “Reionização Cósmica”. Este período de transição é quando acredita-se que quase todo o gás neutro que permeou o Universo se transformou em prótons e elétrons (também conhecidos como bárions) que constituem toda a matéria “normal”.
Infelizmente, os astrônomos não foram capazes de estudar este período da história cósmica. Grande parte do problema decorre de como a luz dessa época foi desviada para o vermelho a ponto de ser visível em uma parte do espectro de rádio que é inacessível aos instrumentos modernos (a linha de transição de 21 cm). Mas, como o Dr. Padmanabhan explicou à Universe Today por e-mail, esta não é a única barreira para estudar o Universo primitivo:
“Este período tem nos iludido até agora em observações devido ao alto nível de sensibilidade necessário para fazer uma detecção da emissão, combinado com o desafio de detectar o sinal extremamente fraco (que vem do gás hidrogênio presente no início do Universo) em a presença de emissão de primeiro plano (principalmente de nossa própria galáxia), que é cerca de 4-5 ordens de magnitude maior do que o sinal que queremos medir.”
O modelo cosmológico LCDM, visualizado. Crédito: Alex Mittelmann / Wikipedia Commons
Ao estudar as primeiras estrelas e galáxias em formação, os astrônomos serão capazes de ver de onde 90% da matéria bariônica (também conhecida como “luminosa” ou “normal”) no Universo veio e como ela evoluiu para as estruturas cósmicas de grande escala que nós veja hoje. A capacidade de modelar como o Universo evoluiu deste período até hoje também apresenta a oportunidade de ver a influência da Matéria Escura e Energia Escura diretamente.
A partir disso, os cientistas avaliarão diferentes modelos cosmológicos, o mais amplamente aceito dos quais é o modelo Lambda-Cold Dark Matter (LCDM). Disse o Dr. Padmanabhan:
“O acesso a essa época também representa um grande salto em nosso conteúdo de informação cosmológica. Isso ocorre porque ele contém pelo menos 10000-100000 vezes mais informações do que está disponível no momento em todas as nossas pesquisas de galáxias até agora, bem como o que obtemos da radiação de Fundo Cósmico de Microondas (CMB). É essencialmente o maior conjunto de dados que poderíamos esperar ter para testar nossos modelos de física! Podemos explorar um conjunto de modelos de física fascinantes além do nosso modelo padrão de cosmologia.”
Isso inclui modelos que envolvem versões não padrão de matéria escura (ou seja, “matéria escura quente”), versões modificadas de gravidade e teorias de inflação que não envolvem energia escura – dinâmica newtoniana modificada (MOND). Essencialmente, os cientistas serão capazes de ver a gravidade e a expansão cósmica desde o momento em que tudo começou (alguns trilionésimos de segundo após o Big Bang). Durante anos, a comunidade astronômica esperou ansiosamente pelo dia em que o James Webb finalmente fosse lançado ao espaço.
Muito de sua empolgação vem do fato de que a ótica infravermelha avançada e a alta sensibilidade do observatório permitirão que ele observe as primeiras galáxias enquanto elas ainda estavam em formação. Normalmente, a luz das galáxias seria obscurecida por toda a poeira e gás interestelar e intergaláctico que existe entre elas e a Terra. Junto com os instrumentos existentes e de próxima geração, diz o Dr. Padmanabhan, essas galáxias serão observáveis pela primeira vez:
“Missões como o JWST serão capazes de detectar galáxias extremamente tênues que se formaram quando o Universo tinha apenas um décimo de seu tamanho atual. Combinado com pesquisas de rádio como o SKA [Square Kilometer Array], isso nos fornecerá uma imagem abrangente das primeiras fontes luminosas e seu desenvolvimento ao longo do tempo cósmico. O JWST fornece pesquisas profundas do tipo “feixe de lápis”, cujo campo de visão total é da ordem de vários minutos de arco quadrado, portanto, não acessará escalas cosmológicas, mas aumentará significativamente nossa compreensão dos processos físicos que contribuíram para a reionização.”
“O ALMA agora detecta rotineiramente galáxias em sua linha de emissão submilimétrica, como carbono ionizado isoladamente, [CII] e oxigênio duplamente ionizado, [OIII], sendo que ambos são sondas de reionização muito interessantes. O próximo experimento COMAP-Epoch of Reionization do qual faço parte dos planos para acessar a linha de emissão de monóxido de carbono (CO) em torno dos estágios intermediários e finais de reionização, que é um excelente marcador de formação de estrelas. Os primeiros planos não são um problema tão sério para as linhas submilimétricas.”
Isso é conhecido como abordagem multi-mensageiro, onde sinais de luz de diferentes instrumentos e em diferentes comprimentos de onda são combinados. Quando aplicada ao Cosmic Dawn, diz o Dr. Padmanabhan, esta abordagem é a ferramenta mais promissora para obter insights sobre o Universo. Especificamente, a detecção de ondas gravitacionais dos primeiros buracos negros supermassivos revelará como essas forças primordiais da natureza influenciaram a evolução galáctica.
“Combinando isso com o conhecimento da forma como o gás e as galáxias evoluem, que ganhamos por meio de pesquisas eletromagnéticas, isso nos fornecerá uma imagem abrangente da Cosmic Dawn”, disse ela. “Será crucial para responder a uma questão marcante em cosmologia e astrofísica: como os primeiros buracos negros se formaram e qual foi sua contribuição para a reionização?”
O potencial para montar campanhas de multi-mensageiros que combinam sinais infravermelhos de alta sensibilidade com sinais de rádio é uma das muitas maneiras pelas quais a astronomia está progredindo tão rapidamente. Além de instrumentos mais sofisticados, os astrônomos também se beneficiarão de métodos aprimorados, técnicas de aprendizado de máquina mais sofisticadas e oportunidades de pesquisa colaborativa.
Por último, mas não menos importante, a capacidade de combinar sinais de diferentes matrizes (e em diferentes comprimentos de onda de energia eletromagnética) já criou novas oportunidades para campanhas de imagem sofisticadas. Um bom exemplo disso é o projeto Event Horizon Telescope (EHT), que conta com 10 radiotelescópios em todo o mundo para coletar luz de SMBHs (como nosso próprio Sagittarius A *). Em 2019, o EHT tirou a primeira imagem de uma SMBH; neste caso, aquele localizado no núcleo M87 (a galáxia elíptica supergigante de Virgem A).
A oportunidade de realizar pesquisas de ponta será abundante em um futuro próximo, e as descobertas que temos que fazer serão revolucionárias. Embora com certeza haverá alguns contratempos ao longo do caminho e mais mistérios a serem resolvidos, uma coisa é certa: o futuro da astronomia será uma época muito emocionante!
Publicado em 18/09/2021 13h25
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