A Idade das Trevas do Universo pode conter os segredos da matéria escura, da inflação e até da teoria das cordas
Crédito da imagem: equipe científica da NASA / WMAP.
Como o futuro da astronomia – e algo que nem podemos ver – pode abrir o universo escuro.
Este post foi escrito por Sabine Hossenfelder, uma física teórica especializada em gravidade quântica e física de alta energia. Ela também escreve freelance sobre ciência.
Quando seus olhos escureceram ao olhar para mostradores não reveladores e estudar gráficos sem intercorrências, eles podiam sair de suas celas de concreto e renovar seus espíritos embotados em comunhão com o mecanismo gigante que comandavam, o instrumento silencioso e sensível no qual os menores pacotes de energia, o menores ondas de matéria, foram detectadas em seu voo impetuoso e eterno através do universo. – James Gunn, em Radioastronomia
O universo pode ter começado com um estrondo, mas uma vez que os ecos desapareceram, levou algum tempo até que a sinfonia cósmica começasse. Entre a criação do fundo cósmico de micro-ondas (CMB), onde os átomos neutros se formaram pela primeira vez, e a formação das primeiras estrelas, foram 100 milhões de anos que se passaram em completa escuridão. Esta idade das trevas até agora foi totalmente escondida da observação, mas esta situação está prestes a mudar.
A idade das trevas pode conter as respostas para muitas perguntas prementes. Durante esse período, a maior parte da massa do universo estava na forma de átomos leves – principalmente hidrogênio – e matéria escura. Os átomos se aglomeraram lentamente sob a influência das forças gravitacionais, até que finalmente acenderam as primeiras estrelas.
Antes das primeiras estrelas, os processos astrofísicos eram poucos e, portanto, a distribuição do hidrogênio durante a idade das trevas traz informações muito claras sobre a formação da estrutura. Detalhes sobre o comportamento da matéria escura e os tamanhos das estruturas que se formaram são codificados nessas nuvens de hidrogênio. Mas como podemos ver essa escuridão?
Felizmente, essas eras das trevas não eram totalmente escuras, apenas muito, muito obscuras. Naquela época, os átomos de hidrogênio que preenchiam o universo frequentemente se chocavam, o que pode mudar o spin do elétron. Se uma colisão inverte o spin, a energia do elétron muda por uma pequena quantidade porque a energia depende se o spin do elétron está alinhado com o spin do núcleo ou se aponta na direção oposta. Essa diferença de energia muito pequena é conhecida como divisão hiperfina. Inverter o spin do elétron de hidrogênio do estado alinhado para o antialinhado, portanto, leva à emissão de um fóton de energia muito baixa. Como alta energia significa comprimentos de onda curtos e baixa energia é comprimento de onda longo, você não ficará surpreso ao saber que essa transição hiperfina produz fótons com um comprimento de onda de 21 cm. Se pudermos traçar a emissão desses fótons de 21 cm, podemos traçar a distribuição do hidrogênio. Mas 21 cm é o comprimento de onda dos fótons no momento da emissão, cerca de 13 bilhões de anos atrás.
Crédito da imagem: Sabine Hossenfelder.
Desde aquela época, o universo se expandiu significativamente e esticou o comprimento de onda dos fótons com ele. O quanto o comprimento de onda foi esticado depende se foi emitido cedo ou tarde durante a idade das trevas. Enquanto isso, os primeiros fótons foram esticados por um fator de cerca de 1.000, resultando em comprimentos de onda de algumas centenas de metros. Os fótons emitidos no final da idade das trevas não foram esticados tanto - hoje eles têm comprimentos de onda de apenas alguns metros.
O aspecto mais empolgante da astronomia de 21 cm é que ela não apenas nos dá um instantâneo em um determinado momento – como o CMB – mas nos permite mapear continuamente diferentes épocas durante a idade das trevas. Ao medir os fótons desviados para o vermelho em diferentes comprimentos de onda, podemos digitalizar todo o período de tempo. Isso nos daria muitos novos insights sobre a história do nosso universo.
À esquerda, a luz infravermelha do final da idade das trevas do Universo é mostrada, com as estrelas (em primeiro plano) subtraídas. A astronomia de 21 cm será capaz de sondar ainda mais para trás. Crédito da imagem: NASA/JPL-Caltech/A. Kashlinsky (GSFC).
Para começar, não é bem entendido como a idade das trevas termina e as primeiras estrelas são formadas. A idade das trevas desaparece em uma fase de reionização, na qual a intensa luz UV das estrelas retira o hidrogênio neutro de seus elétrons mais uma vez. Acredita-se que essa reionização seja causada pela radiação das primeiras estrelas, mas não sabemos exatamente quais são os meandros desse processo. Como o hidrogênio ionizado não pode mais emitir a linha hiperfina, a astronomia de 21 cm poderia nos dizer como as regiões ionizadas crescem, nos ensinando muito sobre os primeiros objetos estelares e o comportamento do meio intergaláctico. A astronomia de 21 cm também pode ajudar a resolver o enigma da matéria escura . Se a matéria escura se auto-aniquilar, isso afeta a distribuição de hidrogênio neutro, que pode ser usado para restringir ou descartar modelos de matéria escura.
Um mapa 3D da distribuição da matéria escura no cosmos. A astronomia de 21 cm nos permitiria sondar essa estrutura com muito mais precisão e em épocas anteriores do que a técnica de lente fraca usada para fazer este mapa. Crédito da imagem: NASA/ESA/Richard Massey (Instituto de Tecnologia da Califórnia).
Modelos de inflação também podem ser testados por este método: a distribuição de estruturas que a astronomia de 21 cm pode mapear carrega uma marca das flutuações quânticas que as causaram. Essas flutuações de retorno dependem do tipo de campos de inflação e da forma dos potenciais desses campos. Assim, as correlações nas estruturas que estavam presentes já durante a idade das trevas vamos restringir que tipo de inflação ocorreu.
Talvez o mais emocionante, a idade das trevas pode nos dar uma espiada nas cordas cósmicas , objetos unidimensionais com alta densidade e alta atração gravitacional. Em muitos modelos da fenomenologia das cordas, as cordas cósmicas podem ser produzidas no final da inflação, antes do início da idade das trevas. Ao distorcer as nuvens de hidrogênio, as cordas cósmicas deixariam um sinal característico no espectro de emissão de 21 cm.
Mas medir fótons desse comprimento de onda não é fácil. A Via Láctea também tem fontes que emitem nesse regime, o que dá origem a um foreground galáctico inevitável que deve ser entendido e subtraído. Além disso, a atmosfera da Terra distorce o sinal e algumas transmissões de rádio podem interferir na medição. No entanto, os astrônomos enfrentaram o desafio e os primeiros telescópios caçando o sinal de 21 cm do universo primitivo estão agora em operação.
Crédito da imagem: um módulo no Murchison Widefield Array (MWA), via Natasha Hurley-Walker sob c.c.-by-s.a.-3.0.
O Low-Frequency Array (LOFAR) entrou em operação no final de 2012. Seu telescópio principal está localizado na Holanda, mas combina dados de 24 outros telescópios na Europa e é sensível a comprimentos de onda de até 30m. O Murchison Widefield Array (MWA) na Austrália, que é sensível a comprimentos de onda de alguns metros, começou a coletar dados em 2013. E em 2025, o Square Kilometer Array está programado para ser concluído. Este projeto conjunto entre a Austrália e a África do Sul será o maior radiotelescópio do mundo.
Ainda assim, o sonho dos astrônomos seria livrar-se completamente da distorção causada pela atmosfera da Terra. Seu plano mais ambicioso é colocar uma série de telescópios no lado oculto da Lua. Mas essa ideia, infelizmente, ainda é absurda – para não mencionar o subfinanciamento.
Crédito da imagem: ESO/M. Kornmesser, de uma ilustração de CR7, a primeira galáxia detectada que se acredita abrigar estrelas da População III: as primeiras estrelas já formadas no Universo.
Apenas algumas décadas atrás, a cosmologia era uma disciplina tão carente de dados que muitos argumentavam que estava mais próxima da filosofia do que da ciência. Hoje, é uma área de pesquisa baseada em medições de alta precisão com uma riqueza de dados que abrange todo o espectro eletromagnético. O progresso na tecnologia e em nossa compreensão da história do universo não tem sido nada além de impressionante, mas estamos apenas começando. A idade das trevas é a próxima.
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