A característica da absorção de luz pelo hidrogênio que envolve as primeiras galáxias pode ser usada como uma nova sondagem para os mistérios da matéria escura e como ela afetou a evolução do universo durante a idade das trevas cósmica.
Os cientistas há muito assumem que a matéria escura, uma substância misteriosa que compõe cerca de 85% da matéria do universo, desempenhou um grande papel na formação das primeiras galáxias. Mas como a matéria escura não interage com a luz (ao contrário da matéria “normal” da qual as estrelas, os planetas e nós somos feitos), sua natureza permanece desconhecida. Isso significa que o papel preciso que desempenharam quando as galáxias começaram a se formar ainda representa uma lacuna nos modelos cosmológicos.
Para investigar esse mistério, cientistas da Northeastern University na China e dos Observatórios Astronômicos Nacionais da Academia Chinesa de Ciências (NAOC) propuseram uma nova sonda para lançar luz sobre a natureza da matéria escura e a formação inicial das galáxias.
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Uma maneira possível de investigar as partículas que compõem a matéria escura e sua massa é estudando estruturas de pequena escala no universo. O problema surge quando se tenta fazer isso por um período chamado de “amanhecer cósmica”, cerca de 380 milhões de anos após o Big Bang, quando as primeiras estrelas estavam nascendo. Assim, havia poucas fontes de luz viáveis para iluminar esta era antiga para os astrônomos.
Mas havia átomos nessa época, na forma de gás do elemento químico mais leve, o hidrogênio. Como todos os elementos, o hidrogênio absorve luz em comprimentos de onda distintos, deixando sua marca na luz que passa por ele.
Procurando por matéria escura em uma selva cósmica
O gás hidrogênio atômico dentro e ao redor das minúsculas estruturas que existiram durante o amanhecer cósmico, que terminou cerca de um bilhão de anos após o Big Bang, cria linhas de absorção distintas em 21 cm, na faixa de rádio do espectro eletromagnético. Coletivamente, eles são chamados de Floresta de 21 cm, que foi proposta como uma possível sonda da temperatura do gás e da matéria escura durante o amanhecer cósmico por mais de 20 anos.
Isso permaneceu apenas um conceito teórico, no entanto, devido ao fato de que a luz dessa era viajou por cerca de 13,4 bilhões de anos para chegar até nós. Ao longo do caminho, ele perdeu energia, estendendo seu comprimento de onda e diminuindo sua frequência, movendo-o para baixo no espectro eletromagnético em direção à região vermelha e além, para o infravermelho.
Quanto mais distante a fonte de luz, mais extremo o processo de “desvio para o vermelho”. Com a ausência da luz das estrelas, usar a floresta de 21 centímetros como uma sonda de matéria escura exigiria ver fontes muito altas, como quasares no amanhecer cósmico e, portanto, com alto desvio para o vermelho. Mas os sinais dessas fontes de rádio dessa época são mais fracos e é difícil identificar essas fontes de fundo com alto desvio para o vermelho.
No entanto, esta situação pode estar prestes a mudar. Não apenas vários quasares de alto desvio para o vermelho foram descobertos recentemente, mas o maior radiotelescópio do mundo, o Square Kilometre Array (SKA), começou a ser construído na Austrália e na África do Sul em dezembro de 2022 e em breve abrirá seu sensível olho de rádio no universo. Isso indica que a descoberta e o uso da floresta de 21 centímetros podem ser possíveis em breve.
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A equipe por trás do novo estudo acredita que medir a distribuição de energia da floresta de 21 centímetros, ou seu “espectro de energia”, tornaria uma sonda razoável para medir simultaneamente as propriedades da matéria escura e a história térmica do universo.
Isso pode ajudar os pesquisadores a distinguir entre o modelo de matéria escura fria do universo – um com partículas maciças de matéria escura que se movem lentamente em comparação com a velocidade da luz – e o modelo de matéria escura quente, com partículas de matéria escura mais leves e rápidas.
“Ao medir o espectro de energia unidimensional de uma floresta de 21 cm, podemos não apenas tornar a sonda realmente viável aumentando a sensibilidade, mas também fornecer uma maneira de distinguir entre os efeitos dos modelos de matéria escura quente e o processo de aquecimento inicial. “, disse o pesquisador dos Observatórios Astronômicos Nacionais Yidong Xu, autor. contraste com o novo estudo. “Seremos capazes de matar dois coelhos com uma cajadada só!”
Desde que o aquecimento cósmico não tenha sido muito intenso durante o amanhecer cósmico, as capacidades de baixa frequência do primeiro estágio dos processos SKA devem significar que os cientistas podem restringir a massa de partículas de matéria escura e a temperatura do gás. Se o aquecimento cósmico for muito grande, o segundo estágio do SKA verá um instrumento se expandir, resultando no uso de múltiplas fontes de rádio de fundo que apresentam as mesmas limitações.
Uma vez que o uso potencial da Floresta de 21 cm como uma sonda de matéria escura está ligado a observações de fontes de rádio de alto desvio para o vermelho, o próximo passo nesta pesquisa é identificar mais fontes de radiação de rádio durante o amanhecer cósmico, incluindo mais fontes de rádio de alto quasares e brilhos posteriores, raios gama.
Essas fontes podem ser buscadas assim que o SKA começar a observar o universo em 2027, permitindo que os astrônomos lancem mais luz sobre os mistérios da matéria escura e das primeiras galáxias.
A pesquisa da equipe é apresentada na edição de 6 de julho da revista Nature Astronomy.