Desvendando o mistério da primeira luz do Universo

Cientistas estão usando simulações e dados do Telescópio do Polo Sul para detectar o fraco efeito kSZ, uma chave para entender a Época da Reionização, quando as primeiras estrelas ionizaram o universo.

Imagem via NASA 

Imagine fazer uma viagem para os primeiros dias do universo, especificamente para o começo da Época da Reionização (EoR). Foi nesse período que as primeiras estrelas e galáxias se formaram, e a energia delas separou os prótons e elétrons do gás de hidrogênio primordial, denso e escuro, que formava o universo. Isso criou bolhas de gás ionizado. Nessa viagem cósmica, você veria muitas dessas bolhas no meio da escuridão, e elas cresceriam e se juntariam, ionizando todo o hidrogênio no universo, iluminando a escuridão e preparando o cenário para a evolução das galáxias como conhecemos hoje.

Infelizmente, os cientistas não podem criar máquinas do tempo para voltar a essa época. Mas eles podem coletar grandes quantidades de dados e criar simulações para obter informações sobre o universo primitivo e entender melhor como as galáxias se formaram e evoluíram.

“As primeiras estrelas tinham muita energia, e quando seus prótons ultravioletas interagiam com os átomos de hidrogênio neutro, ejetavam um elétron do átomo. E foi basicamente assim que o universo se reionizou,? explicou Srinivasan Raghunathan, Ph.D., do Centro de Pesquisas Astrofísicas (CAPS), na Universidade de Illinois.

Esses elétrons livres que se moviam pelo universo primitivo interagiam com a radiação cósmica de fundo (CMB) – o que sobrou do Big Bang – aumentando a energia e o brilho dessa radiação. Esse aumento de energia dá origem ao que chamamos de efeito cinético Sunyaev-Zel”dovich (kSZ), um sinal fraco do universo antigo que permite aos cosmologistas olhar para trás no tempo e entender os processos da Época da Reionização, assim como quando ela começou e quanto tempo durou.

Detectando o Efeito kSZ:

Raghunathan liderou uma equipe de pesquisa de várias instituições que tentou detectar o efeito kSZ em mapas de temperatura da CMB usando dados do Telescópio do Polo Sul e do instrumento SPIRE, do Observatório Espacial Herschel. O trabalho foi publicado em uma revista importante de física e cosmologia, chamada Physical Review Letters.

“Procurar por esse sinal é crucial, porque é uma maneira de entender como esse processo aconteceu,? disse Raghunathan. “Mas o sinal é extremamente fraco, porque vem do universo primitivo e está escondido no meio de muitas outras coisas nos dados, incluindo a própria radiação cósmica de fundo.” 

A equipe usou dados do Telescópio do Polo Sul – em frequências de 90, 150 e 220 GHz – e aplicou uma técnica para encontrar o efeito kSZ. Esse efeito deve aumentar ligeiramente a energia (medida em temperatura) da CMB conforme as galáxias começaram a se formar e a reionização aconteceu no universo.

Simulando o Universo Primitivo

Para ajudar na busca pelo sinal kSZ, os cientistas criaram simulações de alta resolução do universo e as usaram como modelo para filtrar sinais desnecessários e efeitos de lentes gravitacionais (curvas no caminho da luz ao passar por galáxias e outras matérias no universo). Foram feitas centenas dessas simulações usando um supercomputador.

“Temos vários terabytes de dados, e queremos validar o que estamos medindo. Então, construímos muitas simulações do universo primitivo,? explicou Raghunathan. As simulações tentam “ver? como esses primeiros sinais no universo interagem entre si e como chegam nas três frequências sendo medidas.

Progresso no Entendimento da Reionização:

Embora o efeito kSZ deva dar um pequeno aumento de brilho à CMB, a equipe ainda não detectou o sinal em seus dados. Mesmo assim, isso é um passo importante para entender o universo primitivo e a Época da Reionização.

“O fato de não termos detectado o sinal nos diz que ele não pode ser muito forte,? disse Raghunathan. “O sinal precisa estar abaixo de uma certa expectativa, e com base nisso, podemos descartar alguns modelos de reionização.”

Definir um limite superior para quando a reionização provavelmente terminou dá aos cientistas um parâmetro para continuar investigando. Conforme novos dados de alta resolução se tornarem disponíveis e forem realizadas mais análises, os cientistas vão desvendar o mistério da época em que as estrelas iluminaram o céu.

“No futuro próximo, esperamos detectar esse sinal. Sabemos que ele existe e que a reionização aconteceu. Agora queremos entender por que e como todo o processo aconteceu.”

Terrarara.com.br