Crédito de imagem: NASA
Os astrônomos que desejam estudar o universo primitivo enfrentam um problema fundamental. Como você observa o que existia durante a "idade das trevas", antes que as primeiras estrelas se formassem para iluminá-lo? Os teóricos Abraham Loeb e Matias Zaldarriaga (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) encontraram uma solução. Eles calcularam que os astrônomos podem detectar os primeiros átomos no universo primitivo, procurando as sombras que lançam.
Para ver as sombras, um observador deve estudar o fundo cósmico de microondas (CMB) - radiação que resta da era da recombinação. Quando o universo tinha cerca de 370.000 anos, esfriou o suficiente para que elétrons e prótons se unissem, recombinando-se em átomos de hidrogênio neutros e permitindo que a radiação CMB relíquia do Big Bang viajasse quase desimpedida pelo cosmos nos últimos 13 bilhões de anos.
Com o tempo, alguns dos fótons da CMB encontraram aglomerados de gás hidrogênio e foram absorvidos. Ao procurar regiões com menos fótons - regiões sombreadas pelo hidrogênio - os astrônomos podem determinar a distribuição da matéria no universo primitivo.
"Existe uma quantidade enorme de informações impressas no céu das microondas que podem nos ensinar sobre as condições iniciais do universo com precisão requintada", disse Loeb.
Inflação e Matéria Escura
Para absorver fótons CMB, a temperatura do hidrogênio (especificamente sua temperatura de excitação) deve ser menor que a temperatura da radiação CMB - condições que existiam apenas quando o universo tinha entre 20 e 100 milhões de anos (idade do Universo: 13,7 bilhões de anos). Coincidentemente, isso também é muito antes da formação de quaisquer estrelas ou galáxias, abrindo uma janela única para a chamada "idade das trevas".
O estudo das sombras da CMB também permite que os astrônomos observem estruturas muito menores do que era possível anteriormente usando instrumentos como o satélite Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP). A técnica das sombras pode detectar grupos de hidrogênio tão pequenos quanto 30.000 anos-luz no universo atual, ou o equivalente a apenas 300 anos-luz no universo primordial. (A escala aumentou à medida que o universo se expandiu.) Essa resolução é um fator 1000 vezes melhor que a resolução do WMAP.
“Esse método oferece uma janela para a física do universo primitivo, ou seja, a época da inflação durante a qual se acredita que tenham sido produzidas flutuações na distribuição da matéria. Além disso, poderíamos determinar se os neutrinos ou algum tipo desconhecido de partícula contribuem substancialmente para a quantidade de 'matéria escura' no universo. Essas perguntas - o que aconteceu durante a época da inflação e o que é matéria escura - são problemas-chave na cosmologia moderna cujas respostas produzirão insights fundamentais sobre a natureza do universo ”, disse Loeb.
Um desafio observacional
Os átomos de hidrogênio absorvem os fótons de CMB em um comprimento de onda específico de 21 centímetros (8 polegadas). A expansão do universo estende o comprimento de onda em um fenômeno chamado desvio para o vermelho (porque um comprimento de onda maior é mais vermelho). Portanto, para observar a absorção de 21 cm do universo primitivo, os astrônomos devem observar comprimentos de onda maiores de 6 a 21 metros (20 a 70 pés), na porção de rádio do espectro eletromagnético.
Observar as sombras CMB nos comprimentos de onda do rádio será difícil devido à interferência de fontes do céu em primeiro plano. Para reunir dados precisos, os astrônomos terão que usar a próxima geração de radiotelescópios, como o Low Frequency Array (LOFAR) e o Square Kilometer Array (SKA). Embora as observações sejam um desafio, a recompensa potencial é grande.
"Há uma mina de ouro de informações por aí esperando para serem extraídas. Embora sua detecção completa possa ser experimentalmente desafiadora, é gratificante saber que ela existe e que podemos tentar medi-la em um futuro próximo ", disse Loeb.
Esta pesquisa será publicada em uma edição futura da Physical Review Letters, e atualmente está disponível online em http://arxiv.org/abs/astro-ph/0312134.
Sediado em Cambridge, Massachusetts, o Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics é uma colaboração conjunta entre o Smithsonian Astrophysical Observatory e o Harvard College Observatory. Os cientistas da CfA, organizados em seis divisões de pesquisa, estudam a origem, evolução e destino final do universo.
Fonte original: Comunicado de imprensa da Harvard CfA
