O que aconteceu com o hidrogênio do universo primordial?

Quando o nosso universo expandiu pela primeira vez na existência com um Big Bang, há quase 14 bilhões de anos, ele parecia muito diferente do que é hoje. No lugar de planetas, estrelas e galáxias, havia uma bola inflacionária de plasma quente.

O Universo esfriou à medida que ele se expandiu e, com o tempo, os ingredientes diferentes do nosso universo congelaram quando as temperaturas despencaram. Quarks congelaram em primeiro lugar, em seguida, prótons e nêutrons, seguidos dos elétrons. Finalmente, depois de cerca de 380 mil anos, os primeiros átomos do universo – hidrogênio – começaram a se formar. Alguns desses átomos formaram as primeiras estrelas, onde eles fundiram-se em carbono, oxigênio, nitrogênio, ferro e todos os outros elementos a partir do qual os planetas e a vida são construídos.

No entanto, quando o nosso universo tinha cerca de um bilhão de anos, parece que nove em cada 10 desses átomos de hidrogênio originais foram destruídos antes de encontrarem seu caminho para formar galáxias. Mas, quando e como esses primeiros átomos do Universo foram destruídos exatamente? Astrônomos se intrigaram com estas questões ao longo de décadas. Mas, recentemente, um novo experimento – conhecido como o Hydrogen Epoch of Reionization Array ou Matriz da Época de Reionização do Hidrogênio (HERA, na sigla em inglês) – poderá ajudar a  responder essa questão.

Hidrogênio em todos os lugares e, em seguida, o amanhecer cósmico

Com a formação dos primeiros átomos de hidrogênio – cada um feito de um elétron com carga negativa e um próton com carga positiva – o Universo entrou em um período no qual os cosmólogos chamam a Idade das Trevas. Durante este tempo, o Universo tranquilamente esperou que as nuvens de hidrogênio obedecessem à influência da gravidade e do colapso nas primeiras estrelas e galáxias. A ignição das primeiras estrelas marcou o fim da Idade Média e o início do nosso “Amanhecer Cósmico”, cerca de 100 milhões de anos após o Big Bang. Pela primeira vez, o nosso universo começou a brilhar com uma luz diferente da fosforescência do Big Bang.

Até nossa alvorada cósmica, todo o Universo estava cheio de hidrogênio. No entanto, a luz das estrelas consiste de fótons com energia suficiente para dividir hidrogênio em partes e reionizá-lo de volta em prótons e elétrons. Com mais e mais estrelas se iluminando, buracos cada vez maiores de ionização foram esculpidos fora das nuvens de hidrogênio primordiais.

Outros objetos mais exóticos também começaram a se formar dentro das galáxias. À medida que estrelas esgotaram o seu combustível de hidrogênio, elas explodiram em espetaculares supernovas. Algumas estrelas deixaram para trás buracos negros que consumiram estrelas próximas e geraram poderosos jatos de raios-x. Nos centros de galáxias, buracos negros supermassivos foram crescendo, com as massas de milhões de sóis.

Estes eventos injetaram enormes quantidades de energia em torno nuvens de hidrogênio, aquecendo e ionizando-as, até que, quando olhamos para fora hoje, vemos que todo o hidrogênio intergaláctico foi destruído e reionizado em prótons e elétrons, suas partículas componentes.

Mapeando o próprio hidrogênio

Os astrônomos ainda estão lutando para separar todos os processos complexos que levaram à formação de estrelas e galáxias e à destruição simultânea do hidrogênio do Universo.

Usando telescópios ópticos poderosos, os astrônomos perceberam que as galáxias estavam tão distantes que a sua luz, emitida quando o Universo tinha apenas uma bilhões de anos, só está chegando para nós agora. O vislumbre que obtemos destas galáxias nos espasmos finais da reionização é dos últimos remanescentes de hidrogênio intergaláctico sendo queimados. No entanto, à medida que tentamos olhar mais profundamente, o próprio hidrogênio nos confunde. Ele absorve a própria luz das estrelas que usamos para observar galáxias distantes, agindo como um nevoeiro cobrindo e escondendo o caos por trás dele.

Para resolver este problema, Aaron Parsons, Professor associado de Astronomia da Universidade da Califórnia, Berkeley, e seus colegas, projetaram um novo tipo de telescópio: uma variedade de antenas de rádio que, em vez de procurarem galáxias distantes, mapeiam o próprio hidrogênio intergaláctico durante todo o processo de ser aquecido e reionizado. A Hydrogen Epoch of Reionization Array combina hardware de supercomputação de ponta com a construção da antena de baixo custo em um design exclusivo que lhe dá a sensibilidade e precisão para criar o que serão os maiores mapas no Universo.

HERA é sensível a um tipo específico de onda de rádio produzida quando os campos magnéticos dos prótons e elétrons dentro de hidrogênio mudam a sua polaridade Norte-Sul uns em relação aos outros. Assim como duas barras de imãs opostas atraem-se mutuamente e libertam energia no processo, a polaridade de comutação dos elétrons e dos prótons de hidrogênio libera uma pequena quantidade de energia. Esta transição hiperfina produz ondas de rádio com um comprimento de onda característico de 21 centímetros.

Como resultado da contínua expansão do Universo desde o Big Bang, ondas de rádio de 21 cm de hidrogênio intergaláctico foram esticadas por diferentes valores, dependendo de quantos anos o Universo tinha quando elas foram originalmente emitido. Por exemplo, quando o Universo tinha 770 milhões de anos, ele era oito vezes menor do que é hoje. Uma onda de rádio de 21 cm emitida pelo hidrogênio neste momento da história do nosso universo seria esticada por um fator de oito no seu caminho até nós; gostaríamos de vê-lo com um comprimento de onda de 168 cm. Por outro lado, a mesma onda de rádio emitida quando o Universo tinha 940 milhões de anos seria esticada apenas por um fator de sete, aparecendo para nós com um comprimento de onda de 147 cm. Ao medir o comprimento de onda da luz, podemos saber exatamente quando e onde no universo foi emitida.

As simulações de computador preveem como nuvens de hidrogênio brilhavam com emissão de 21 cm quando elas foram aquecidas e ionizadas pelas primeiras galáxias.

Ao mapear o céu em muitos comprimentos de onda (entre 150 e 350 cm), HERA pode produzir uma série de imagens da infância do nosso universo. Vamos poder assistir passo a passo como a luz das primeiras estrelas e galáxias destruíram as nuvens a partir da qual se formaram. Espera-se ver grandes nuvens de hidrogênio incandescente com emissão de 21 cm, com alfinetadas escuras de ionização. Quando passamos para partes do Universo que estão mais próximas de nós e onde um certo tempo tinha decorrido, devemos observar vazios cada vez maiores onde a emissão de 21 cm está faltando, até que, finalmente, esses vazios engolirão tudo até o sinal de 21 cm, que significará que a presença de hidrogênio está desaparecida.

Construindo um novo tipo de matriz

A equipe da HERA foi recentemente premiada com U$ 9,5 milhões da National Science Foundation. “Vamos usar os fundos para construir um arranjo hexagonal de 240 antenas de rádio de 14 metros em Karoo Radio Reserva da África do Sul ao longo dos próximos três anos”, disse o líder da equipe. “Nossos colaboradores são oriundos de 16 instituições de todo o mundo. O plano é trabalhar em paralelo para realizar as observações que serão usadas para produzir resultados inovadores da Hera”.

Observações com as novas instalações nos próximos anos estão prestes a transformar nossa compreensão das primeiras estrelas, galáxias e buracos negros, e seu papel na condução da reionização no final da alvorada cósmica. observações de hidrogênio neutro da Hera irão fornecer uma visão única para este período formativo no nosso universo. Na verdade, no início do Universo, a emissão de 21 cm fornece a única maneira direta para sondar a interação complexa entre as primeiras estruturas luminosas e seus arredores. Fique atento quanto HERA começar suas observações ao longo dos próximos anos, pois ela irá traçar a história dos primeiros átomos no universo.

Traduzido e adaptado de The Conversation.