As maiores estruturas do universo ainda estão brilhando desde sua criação

Astrônomos detectaram um brilho de rádio causado por ondas de choque nos filamentos gigantescos entre aglomerados de galáxias na teia cósmica, que permeia o universo.

Tessa Vernstrom usando dados de Planck, Autor fornecido 

Nas escalas maiores, o universo é ordenado em um padrão semelhante a uma teia: as galáxias são reunidas em aglomerados, que são conectados por filamentos e separados por vazios. Esses aglomerados e filamentos contêm matéria escura, bem como matéria regular, como gás e galáxias.

Chamamos isso de "teia cósmica", e podemos vê-la mapeando as localizações e densidades das galáxias a partir de grandes levantamentos feitos com telescópios ópticos.

Pensamos que a teia cósmica também é permeada por campos magnéticos, que são criados por partículas energéticas em movimento e, por sua vez, guiam o movimento dessas partículas. Nossas teorias preveem que, à medida que a gravidade une um filamento, ela causará ondas de choque que tornarão o campo magnético mais forte e criarão um brilho que pode ser visto com um radiotelescópio.

Em uma nova pesquisa publicada na Science Advances, observamos pela primeira vez essas ondas de choque ao redor de pares de aglomerados de galáxias e dos filamentos que os conectam.

No passado, só observamos essas ondas de choque de rádio diretamente de colisões entre aglomerados de galáxias. No entanto, acreditamos que eles existem em torno de pequenos grupos de galáxias, bem como em filamentos cósmicos.

Ainda há lacunas em nosso conhecimento desses campos magnéticos, como quão fortes eles são, como evoluíram e qual é seu papel na formação dessa teia cósmica.

Detectar e estudar esse brilho poderia não apenas confirmar nossas teorias de como a estrutura em grande escala do universo se formou, mas ajudar a responder a perguntas sobre campos magnéticos cósmicos e seu significado.

Cavando no ruído

Esperamos que esse brilho de rádio seja muito fraco e espalhado por grandes áreas, o que significa que é muito difícil detectá-lo diretamente.

Além disso, as próprias galáxias são muito mais brilhantes e podem esconder esses fracos sinais cósmicos. Para tornar ainda mais difícil, o ruído de nossos telescópios é geralmente muitas vezes maior do que o brilho de rádio esperado.

Por essas razões, em vez de observar diretamente essas ondas de choque de rádio, tivemos que ser criativos, usando uma técnica conhecida como empilhamento. Isso ocorre quando você faz a média de imagens de muitos objetos muito fracos para serem vistos individualmente, o que diminui o ruído, ou melhor, aumenta o sinal médio acima do ruído.

Então, o que empilhamos? Encontramos mais de 600.000 pares de aglomerados de galáxias que estão próximos um do outro no espaço e, portanto, provavelmente estão conectados por filamentos. Em seguida, alinhamos nossas imagens deles para que qualquer sinal de rádio dos aglomerados ou da região entre eles – onde esperamos que as ondas de choque estejam – se somasse.

Usamos esse método pela primeira vez em um artigo publicado em 2021 com dados de dois radiotelescópios: o Murchison Widefield Array, na Austrália Ocidental, e o Owens Valley Radio Observatory Long Wavelength Array, no Novo México. Estes foram escolhidos não só porque cobriam quase todo o céu, mas também porque operavam em baixas frequências de rádio, onde se espera que este sinal seja mais brilhante.

No primeiro projeto, fizemos uma descoberta emocionante: encontramos um brilho entre os pares de clusters! No entanto, como era uma média de muitos aglomerados, todos contendo muitas galáxias, era difícil dizer com certeza que o sinal vinha dos campos magnéticos cósmicos, em vez de outras fontes como galáxias.

Uma revelação "chocante"

Normalmente, os campos magnéticos em aglomerados são confusos devido à turbulência. No entanto, essas ondas de choque forçam os campos magnéticos em ordem, o que significa que o brilho de rádio que emitem é altamente polarizado.

Decidimos experimentar o experimento de empilhamento em mapas de luz de rádio polarizada. Isso tem a vantagem de ajudar a determinar o que está causando o sinal. Os sinais de galáxias regulares são apenas 5% polarizados ou menos, enquanto os sinais de ondas de choque podem ser 30% polarizados ou mais.

Empilhamento de pares de clusters: os dois pontos escuros alinhados verticalmente são os aglomerados e mostram despolarização devido à turbulência, enquanto as áreas externas e a área entre os aglomerados são altamente polarizadas. Tessa Vernstrom usando dados de Planck, Autor fornecido

Em nosso novo trabalho, usamos dados de rádio do Global Magneto Ionic Medium Survey, bem como do satélite Planck para repetir o experimento. Essas pesquisas cobrem quase todo o céu e têm mapas de rádio polarizados e regulares.

Detectamos anéis muito claros de luz polarizada ao redor de pares de aglomerados. Isso significa que os centros dos aglomerados estão despolarizados, o que é esperado, pois são ambientes muito turbulentos. No entanto, nas bordas dos aglomerados os campos magnéticos são colocados em ordem graças às ondas de choque, o que significa que vemos esse anel de luz polarizada.

Também encontramos um excesso de luz altamente polarizada entre os aglomerados, muito mais do que você esperaria de apenas galáxias. Podemos interpretar isso como luz dos choques nos filamentos de conexão. Esta é a primeira vez que essa emissão é encontrada nesse tipo de ambiente.

Comparamos nossos resultados com simulações cosmológicas de última geração, as primeiras de seu tipo a prever não apenas o sinal total da emissão de rádio, mas também o sinal polarizado. Nossos dados concordaram muito bem com essas simulações e, combinando-as, podemos entender o sinal de campo magnético remanescente do universo primitivo.

No futuro, gostaríamos de repetir essa detecção por diferentes épocas ao longo da história do universo. Ainda não sabemos a origem desses campos magnéticos cósmicos, mas outras observações como essa podem nos ajudar a descobrir de onde eles vieram e como evoluíram.

Fonte: astronomy.com