Sinal cósmico do Universo primitivo ajudará os astrónomos a detetar as primeiras estrelas

É muito importante compreender como o Universo passou da escuridão para a luz com a formação das primeiras estrelas e galáxias, transição esta uma viragem fundamental no desenvolvimento do Universo a que damos o nome Aurora Cósmica. No entanto, mesmo com os telescópios mais potentes, não podemos observar diretamente estas primeiras estrelas, pelo que a determinação das suas propriedades é um dos maiores desafios da astronomia. 

 Esta imagem mostra um campo profundo chamado GOODS-South, obtido pelo James Webb como parte do programa JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey). Contém milhares de galáxias de várias formas e tamanhos. Crédito: ESA/Webb, NASA, ESA, CSA

Agora, um grupo internacional de astrónomos liderado pela Universidade de Cambridge demonstrou que será possível conhecer as massas das primeiras estrelas através do estudo de um sinal de rádio específico - criado por átomos de hidrogénio que preenchem os espaços entre as regiões de formação estelar - com origem apenas cem milhões de anos após o Big Bang.

Ao estudar a forma como as primeiras estrelas e os seus remanescentes afetaram este sinal, designado por sinal de 21 centímetros, os investigadores mostraram que os futuros radiotelescópios nos ajudarão a compreender o Universo primitivo e a forma como este se transformou de uma massa quase homogénea de hidrogénio para a incrível complexidade que vemos hoje. Os seus resultados foram apresentados na revista Nature Astronomy.

"Esta é uma oportunidade única para aprender como a primeira luz do Universo emergiu da escuridão", disse a coautora professora Anastasia Fialkov, do Instituto de Astronomia de Cambridge. "A transição de um Universo frio e escuro para um Universo repleto de estrelas é uma história que estamos apenas a começar a compreender".

O estudo das estrelas mais antigas do Universo depende do brilho ténue do sinal de 21 centímetros, um subtil sinal energético de há mais de 13 mil milhões de anos. Este sinal, influenciado pela radiação das estrelas primitivas e dos buracos negros, proporciona uma rara janela para a infância do Universo.

Fialkov lidera o grupo teórico do REACH (Radio Experiment for the Analysis of Cosmic Hydrogen). REACH também dá nome uma antena de rádio e é um dos dois grandes projetos que poderão ajudar-nos a aprender mais sobre a Aurora Cósmica e sobre a Época da Reionização, quando as primeiras estrelas reionizaram átomos de hidrogénio neutro no Universo.

Embora o REACH, que capta sinais de rádio, ainda esteja na fase de calibração, promete revelar dados sobre o início do Universo. Entretanto, o SKA (Square Kilometre Array) - um enorme conjunto de antenas em construção - irá mapear as flutuações dos sinais cósmicos em vastas regiões do céu.

Ambos os projetos são vitais para investigar as massas, luminosidades e distribuição das primeiras estrelas do Universo. No estudo atual, Fialkov - que também é membro do SKA - e os seus colaboradores desenvolveram um modelo que faz previsões para o sinal de 21 centímetros, tanto para o REACH como para o SKA, e descobriram que o sinal é sensível às massas das primeiras estrelas. 

"Somos o primeiro grupo a modelar de forma consistente a dependência do sinal de 21 centímetros das massas das primeiras estrelas, incluindo o impacto da luz estelar ultravioleta e das emissões de raios X de binários de raios X produzidos quando as primeiras estrelas morrem", disse Fialkov, que também é membro do Instituto Kavli de Cosmologia em Cambridge. "Estes conhecimentos derivam de simulações que integram as condições primordiais do Universo, tais como a composição hidrogénio-hélio produzida pelo Big Bang".

Ao desenvolver o seu modelo teórico, os investigadores estudaram a forma como o sinal de 21 centímetros reage à distribuição da massa das primeiras estrelas, conhecidas como estrelas da População III. Descobriram que os estudos anteriores tinham subestimado esta ligação porque não tinham em conta o número e o brilho dos binários de raios X - sistemas binários constituídos por uma estrela normal e por uma estrela colapsada - entre as estrelas da População III, e a forma como estes afetam o sinal de 21 centímetros.

Ao contrário dos telescópios óticos, como o Telescópio Espacial James Webb, que captam imagens vívidas, a radioastronomia baseia-se na análise estatística de sinais ténues. O REACH e o SKA não conseguirão obter imagens de estrelas individuais, mas fornecerão informações sobre populações inteiras de estrelas, sistemas binários de raios X e galáxias.

"É preciso um pouco de imaginação para ligar os dados de rádio à história das primeiras estrelas, mas as implicações são profundas", disse Fialkov.

"As previsões que relatamos têm enormes implicações para a nossa compreensão da natureza das primeiras estrelas do Universo", disse o coautor Dr. Eloy de Lera Acedo, investigador principal do telescópio REACH e das atividades de desenvolvimento do SKA em Cambridge. "Mostramos evidências de que os nossos radiotelescópios nos podem dizer pormenores sobre a massa dessas primeiras estrelas e como essas primeiras luzes podem ter sido muito diferentes das estrelas atuais.

"Os radiotelescópios como o REACH prometem desvendar os mistérios do Universo primitivo e estas previsões são essenciais para orientar as observações de rádio que estamos a fazer a partir do Karoo, na África do Sul".

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