A observação de sinais de rádio de 26 cm , formados pela transição hiperfina do hidrogênio cósmico, oferece uma ferramenta alternativa para o estudo do universo primordial . Na época neutra do universo jovem , quando nenhuma luz era emitida, as linhas de 26 cm são talvez a única janela de observação. No entanto, esses sinais de rádio com desvio para o vermelho , emitidos pelo hidrogênio cósmico no universo primordial , são extremamente fracos e têm se mostrado difíceis de detectar até o momento. Em 2018, o experimento EDGE relatou a detecção de sinais de 26 cm, mas os resultados não puderam ser confirmados de forma independente. O principal problema residia na sistemática do instrumento e na contaminação com outros sinais provenientes do céu. O experimento REACH empregará uma metodologia única para superar esse obstáculo. Espera-se que este grupo de pesquisa consiga detectar esses sinais elusivos de forma confiável em um futuro próximo. Se bem-sucedido, o experimento REACH poderá colocar a "radioastronomia de 26 cm" em destaque no estudo do universo primordial e contribuir significativamente para desvendar os mistérios do universo em seu estágio inicial.
Quando se trata do estudo do universo primordial , o nome do recém-lançado Telescópio Espacial James Webb (JWST) vem à mente. O JWST , sucessor do extremamente bem-sucedido telescópio Hubble , é um observatório espacial de infravermelho equipado para captar sinais ópticos/infravermelhos das primeiras estrelas e galáxias formadas no Universo logo após o Big Bang¹ . No entanto, o JWST apresenta algumas limitações no que diz respeito à captação de sinais da época neutra do universo primordial.
Tabela: Épocas na história do universo desde o Big Bang
(Fonte: Filosofia da Cosmologia – fundo de 21 cm. Disponível em http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/images/21-cm-background.jpg )
Até 380 mil anos após o Big Bang, o universo estava repleto de gás ionizado e era completamente opaco. Entre 380 mil e 400 milhões de anos, o universo tornou-se neutro e transparente. A época da reionização começou após essa fase, cerca de 400 milhões de anos depois do Big Bang.
Durante a época neutra do universo primordial , quando o universo era preenchido por gases neutros e era transparente, nenhum sinal óptico era emitido (daí o nome de era das trevas). A matéria não ionizada não emite luz. Isso representa um desafio para o estudo do Universo primordial na época neutra. No entanto, a radiação de micro-ondas com comprimento de onda de 21 cm (correspondente a 1420 MHz) emitida pelo hidrogênio cósmico frio e neutro durante essa época, como resultado da transição hiperfina (de spin paralelo para spin antiparalelo mais estável), oferece oportunidades aos pesquisadores. Essa radiação de micro-ondas de 21 cm sofreria um desvio para o vermelho ao atingir a Terra e seria observada em frequências de 200 MHz a 10 MHz como ondas de rádio.
Radioastronomia de 21 cm: A observação de sinais de hidrogênio cósmico de 21 centímetros oferece uma abordagem alternativa para o estudo do universo primordial , especialmente da fase neutra, que era desprovida de qualquer emissão de luz. Isso também pode nos informar sobre novos fenômenos físicos, como a distribuição da matéria ao longo do tempo, energia escura, matéria escura, massas dos neutrinos e inflação.
No entanto, os sinais de 21 cm emitidos pelo hidrogênio cósmico durante a fase inicial do universo são difíceis de detectar. Espera-se que sejam extremamente fracos (cerca de cem mil vezes mais fracos do que outros sinais de rádio que também emanam do céu). Consequentemente, essa abordagem ainda está em seus estágios iniciais.
Em 2018, pesquisadores relataram a detecção de um sinal de rádio na frequência de 78 MHz, cujo perfil era amplamente consistente com as expectativas para o sinal de 21 centímetros emitido pelo hidrogênio cósmico primordial . No entanto, essa detecção do sinal de rádio primordial de 21 cm não pôde ser confirmada de forma independente, portanto, a confiabilidade do experimento não pôde ser estabelecida até o momento. O principal problema parece ser a contaminação com sinais de rádio de primeiro plano.
O marco mais recente é o relatório do Radio Experiment for the Analysis of Cosmic Hydrogen (REACH) em 21 de julho de 2022. O REACH usará uma nova abordagem experimental para detectar esses fracos sinais de rádio cósmicos evasivos, oferecendo assim uma nova esperança para a confirmação de sinais cósmicos de 21 centímetros.
O Experimento de Rádio para Análise do Hidrogênio Cósmico (REACH) é um experimento de 21 cm com média no céu. Seu objetivo é aprimorar as observações, gerenciando os problemas enfrentados pelos instrumentos relacionados aos sinais sistemáticos residuais nos dados. O experimento concentra-se na detecção e explicação conjunta dos sinais sistemáticos com os ruídos de fundo e o sinal cosmológico, utilizando estatística Bayesiana. O experimento envolve observações simultâneas com duas antenas diferentes, um sistema de banda ultralarga (faixa de redshift de aproximadamente 7.5 a 28) e um calibrador de receptor baseado em medições de campo.
Este desenvolvimento é significativo, dado o seu potencial para ser uma das melhores ferramentas (e também economicamente viável em comparação com observatórios espaciais como o James Webb ) para o estudo do universo primitivo , bem como a possibilidade de inaugurar uma nova era da física fundamental.
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Referências:
- Prasad U., 2021. Telescópio Espacial James Webb (JWST): O Primeiro Observatório Espacial Dedicado ao Estudo do Universo Primitivo. Europeu científico. Publicado em 6 de novembro de 2021. Disponível em http://scientificeuropean.co.uk/sciences/space/james-webb-space-telescope-jwst-the-first-space-observatory-dedicated-to-the-study-of-early-universe/
- Pritchard JA e Loeb A., 2012. Cosmologia de 21 cm no século XXI. Relatórios sobre o Progresso da Física 21 75. Disponível em https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/75/8/086901. Pré-impressão no arXiv disponível em https://arxiv.org/abs/1109.6012 versão em pdf https://arxiv.org/pdf/1109.6012.pdf
- Universidade de Oxford. Filosofia da Cosmologia – fundo 21 cm. Disponível em http://philosophy-of-cosmology.ox.ac.uk/21cm-background.html
- Bowman, J., Rogers, A., Monsalve, R. et ai. Um perfil de absorção centrado em 78 megahertz no espectro médio do céu. Natureza 555, 67-70 (2018). https://doi.org/10.1038/nature25792
- de Lera Acedo, E., de Villiers, DIL, Razavi-Ghods, N. et ai. O radiômetro REACH para detectar o sinal de hidrogênio de 21 cm do redshift z ≈ 7.5–28. Nat Astron (2022). https://doi.org/10.1038/s41550-022-01709-9
- Eloy de Lera Acedo 2022. Desvendando os mistérios do universo infantil com o radiômetro REACH. Disponível online em https://astronomycommunity.nature.com/posts/u
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