As galáxias eram muito diferentes no início do universo? Os dados mais recentes do HERA melhoram a busca pela radiação cósmica do amanhecer e testam as teorias da formação de galáxias

Em artigo aceito para publicação em O Jornal Astrofísicoa equipe da Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA) relata que dobrou a sensibilidade da matriz, que já era o radiotelescópio mais sensível do mundo dedicado a explorar esse período único na história do universo.

Embora eles ainda não tenham realmente detectado as emissões de rádio do fim da idade das trevas cósmicas, seus resultados fornecem pistas sobre a composição de estrelas e galáxias no início do universo. Em particular, seus dados sugerem que as primeiras galáxias continham muito poucos elementos além de hidrogênio e hélio, ao contrário de nossas galáxias de hoje.

Quando as antenas de rádio estiverem totalmente online e calibradas, idealmente neste outono, a equipe espera construir um mapa 3D das bolhas de hidrogênio ionizado e neutro à medida que evoluíram de cerca de 200 milhões de anos atrás para cerca de 1 bilhão de anos após o Big Bang. O mapa poderia nos dizer como as primeiras estrelas e galáxias diferiam daquelas que vemos ao nosso redor hoje e como era o universo como um todo em sua adolescência.

“Isso está se movendo em direção a uma técnica potencialmente revolucionária na cosmologia. Uma vez que você pode chegar à sensibilidade de que precisa, há muita informação nos dados”, disse Joshua Dillon, cientista pesquisador da Universidade da Califórnia, Departamento de Astronomia e Tecnologia de Berkeley. autor principal do artigo. “Um mapa 3D da maior parte da matéria luminosa do universo é a meta para os próximos 50 anos ou mais.”

Outros telescópios também estão observando o início do universo. O novo Telescópio Espacial James Webb (JWST) agora fotografou uma galáxia que existia cerca de 325 milhões de anos após o nascimento do universo no Big Bang. Mas o JWST pode ver apenas as galáxias mais brilhantes que se formaram durante a Época de Reionização, não as galáxias anãs menores, mas muito mais numerosas, cujas estrelas aqueceram o meio intergaláctico e ionizaram a maior parte do gás hidrogênio.

O HERA procura detectar a radiação do hidrogênio neutro que preenchia o espaço entre as primeiras estrelas e galáxias e, em particular, determinar quando esse hidrogênio parou de emitir ou absorver ondas de rádio porque ficou ionizado.

O fato de a equipe do HERA ainda não ter detectado essas bolhas de hidrogênio ionizado dentro do hidrogênio frio da idade das trevas cósmica descarta algumas teorias de como as estrelas evoluíram no início do universo.

Especificamente, os dados mostram que as primeiras estrelas, que podem ter se formado cerca de 200 milhões de anos após o Big Bang, continham poucos outros elementos além do hidrogênio e do hélio. Isso é diferente da composição das estrelas de hoje, que possuem uma variedade dos chamados metais, o termo astronômico para elementos, variando de lítio a urânio, que são mais pesados ​​que o hélio. A descoberta é consistente com o modelo atual de como estrelas e explosões estelares produziram a maioria dos outros elementos.

“As primeiras galáxias devem ter sido significativamente diferentes das galáxias que observamos hoje para que não tenhamos visto um sinal”, disse Aaron Parsons, investigador principal do HERA e professor associado de astronomia da UC Berkeley. “Em particular, suas características de raios-X devem ter mudado. Caso contrário, teríamos detectado o sinal que estamos procurando.”

A composição atômica das estrelas no início do universo determinou quanto tempo levou para aquecer o meio intergaláctico quando as estrelas começaram a se formar. A chave para isso é a radiação de alta energia, principalmente raios-X, produzida por estrelas binárias, onde uma delas entrou em colapso em um buraco negro ou estrela de nêutrons e está gradualmente devorando sua companheira. Com poucos elementos pesados, grande parte da massa do companheiro é expelida em vez de cair no buraco negro, o que significa menos raios-X e menos aquecimento da região circundante.

Os novos dados se encaixam nas teorias mais populares de como estrelas e galáxias se formaram após o Big Bang, mas não em outras. Os resultados preliminares da primeira análise dos dados do HERA, relatados há um ano, indicaram que essas alternativas – especificamente, a reionização a frio – eram improváveis.

“Nossos resultados exigem que, mesmo antes da reionização e até 450 milhões de anos após o Big Bang, o gás entre as galáxias deve ter sido aquecido por raios-X. buraco”, disse Dillon. “Nossos resultados mostram que, se for esse o caso, essas estrelas devem ter uma ‘metalicidade’ muito baixa, ou seja, muito poucos elementos além de hidrogênio e hélio em comparação com o nosso sol, o que faz sentido porque estamos falando de um período em tempo no universo antes que a maioria dos outros elementos fossem formados.”

A Época da Reionização

A origem do universo no Big Bang, 13,8 bilhões de anos atrás, produziu um caldeirão quente de energia e partículas elementares que esfriou por centenas de milhares de anos antes que prótons e elétrons se combinassem para formar átomos – principalmente hidrogênio e hélio. Olhando para o céu com telescópios sensíveis, os astrônomos mapearam em detalhes as fracas variações de temperatura a partir deste momento – o que é conhecido como radiação cósmica de fundo – apenas 380.000 anos após o Big Bang.

Além dessa radiação de calor relíquia, no entanto, o universo primitivo era escuro. À medida que o universo se expandia, a aglomeração de matéria semeava galáxias e estrelas, que por sua vez produziam radiação – ultravioleta e raios-X – que aquecia o gás entre as estrelas. Em algum momento, o hidrogênio começou a ionizar – perdeu seu elétron – e formou bolhas dentro do hidrogênio neutro, marcando o início da Época da Reionização.

Para mapear essas bolhas, o HERA e vários outros experimentos estão focados em um comprimento de onda de luz que o hidrogênio neutro absorve e emite, mas o hidrogênio ionizado não. Chamada de linha de 21 centímetros (uma frequência de 1.420 megahertz), ela é produzida pela transição hiperfina, durante a qual os spins do elétron e do próton mudam de paralelo para antiparalelo. O hidrogênio ionizado, que perdeu seu único elétron, não absorve nem emite essa radiofrequência.

Desde a Época da Reionização, a linha de 21 centímetros foi desviada para o vermelho pela expansão do universo para um comprimento de onda 10 vezes maior – cerca de 2 metros ou 6 pés. As antenas bastante simples do HERA, uma construção de tela de arame, cano de PVC e postes telefônicos, têm 14 metros de diâmetro para coletar e focar essa radiação nos detectores.

“Com comprimento de onda de dois metros, uma malha de arame é um espelho”, disse Dillon. “E todo o material sofisticado, por assim dizer, está no back-end do supercomputador e toda a análise de dados que vem depois disso.”

A nova análise é baseada em 94 noites de observação em 2017 e 2018 com cerca de 40 antenas – fase 1 do arranjo. A análise preliminar do ano passado foi baseada em 18 noites de observações da fase 1.

O principal resultado do novo artigo é que a equipe HERA melhorou a sensibilidade da matriz em um fator de 2,1 para a luz emitida cerca de 650 milhões de anos após o Big Bang (um redshift, ou um aumento no comprimento de onda, de 7,9) e 2,6 para radiação emitida cerca de 450 milhões de anos após o Big Bang (um desvio para o vermelho de 10,4).

A equipe HERA continua a melhorar a calibração do telescópio e a análise de dados na esperança de ver essas bolhas no início do universo, que têm cerca de 1 milionésimo da intensidade do ruído de rádio nas vizinhanças da Terra. Filtrar o ruído do rádio local para ver a radiação do início do universo não foi fácil.

“Se é queijo suíço, as galáxias fazem os buracos e estamos procurando o queijo”, até agora, sem sucesso, disse David Deboer, astrônomo pesquisador do Laboratório de Radioastronomia da UC Berkeley.

Estendendo essa analogia, no entanto, Dillon observou: “O que fizemos foi dizer que o queijo deve estar mais quente do que se nada tivesse acontecido. Se o queijo estivesse realmente frio, seria mais fácil observar essa irregularidade do que se o queijo estivesse quente.”

Isso exclui principalmente a teoria da reionização a frio, que postulou um ponto de partida mais frio. Os pesquisadores do HERA suspeitam, em vez disso, que os raios-X das estrelas binárias de raios-X aqueceram primeiro o meio intergaláctico.

“Os raios-X aquecerão efetivamente todo o bloco de queijo antes que os buracos se formem”, disse Dillon. “E esses buracos são os pedaços ionizados.”

“HERA continua melhorando e estabelecendo limites cada vez melhores”, disse Parsons. “O fato de podermos continuar avançando e termos novas técnicas que continuam a dar frutos para o nosso telescópio é ótimo.”

A colaboração HERA é liderada pela UC Berkeley e inclui cientistas da América do Norte, Europa e África do Sul. A construção da matriz é financiada pela National Science Foundation e pela Gordon and Betty Moore Foundation, com o apoio fundamental do governo da África do Sul e do South African Radio Astronomy Observatory (SARAO).