O sussurro das primeiras estrelas provocou alto debate sobre a matéria escura

Uma descoberta recente e inesperada sugere que o Universo primitivo não parecia nada como se pensava anteriormente. As teorias iniciais de que a matéria escura é responsável por essa discrepância são criticadas

Notícias sobre as primeiras estrelas do Universo sempre parecem estranhas. Em julho passado, Renan Barkana , um cosmologista da Universidade de Tel Aviv, recebeu um e-mail de sua colega de longa data, Jada Bowman . Bowman lidera um pequeno grupo de cinco astrônomos que construíram e encomendaram um radiotelescópio em uma parte remota do oeste da Austrália. Seu objetivo é descobrir o sussurro das primeiras estrelas. Bowman e a equipe encontraram um sinal não totalmente claro. E ele pediu a Barkan para ajudá-lo a pensar sobre o que exatamente poderia desencadear esse sinal.

Durante os anos em que os radiotelescópios varrem o céu, os astrônomos esperam captar os sinais fracos das primeiras estrelas do universo. Tais objetos são muito escuros e a uma distância de mais de 13 bilhões de anos-luz - muito distantes para serem distinguidos por telescópios comuns. Em vez disso, os astrônomos estão procurando vestígios dos efeitos dessas estrelas no gás que as cerca. O equipamento de Bowman, como outros telescópios, está tentando detectar uma certa falha no gráfico de ondas de rádio vindas das extremidades do universo.

Essas medições são terrivelmente difíceis de serem feitas, pois os sinais em potencial podem ser perdidos não apenas em um grande número de sinais de rádio da sociedade moderna - essa é uma das razões pelas quais o experimento está nos quintais da Austrália - mas também em sinais de fontes espaciais próximas, como a Via Láctea. No entanto, após muitos anos de trabalho metódico, Bowman com colegas e o experimento EDGES (experimento para detectar a época global da assinatura de reionização - um experimento para encontrar traços da era global da reionização) chegaram à conclusão de que eles não apenas descobriram as primeiras estrelas, mas também descobriram evidência de que o jovem cosmos era muito mais frio do que todos pensavam.

Barkana estava cético. "Por um lado, as medições pareciam confiáveis", disse ele. "Por outro lado, foi muito inesperado."

O que poderia fazer o universo primitivo parecer frio? Barkana considerou todas as possibilidades e percebeu que isso poderia ser devido à presença de matéria escura - uma substância misteriosa que preenche o Universo e, ao mesmo tempo, escapa a todas as tentativas de entender o que é e como funciona. Ele descobriu que os resultados do EDGES podem ser interpretados como uma maneira completamente nova de interação da matéria comum e da matéria escura.

EDGES anunciou detalhes sobre esse sinal e a descoberta das primeiras estrelas do universo na edição de 1 de março da Nature. Junto com o artigo, o trabalho de Barkana foi publicado descrevendo essa nova idéia sobre a matéria escura. A mídia em todo o mundo divulgou a notícia da descoberta. A Associated Press escreveu: "Os astrônomos vislumbraram a aurora do espaço quando as estrelas se acenderam" e acrescentaram que "eles também podem ter descoberto matéria escura misteriosa no trabalho".

No entanto, desde a publicação da semana, os cosmólogos de todo o mundo expressaram uma mistura de entusiasmo e ceticismo. Pesquisadores que viram o resultado do EDGES pela primeira vez quando ele apareceu na Nature, conduziram suas próprias análises e mostraram que, mesmo que algum tipo de energia escura seja responsável por ele, como sugeriu Barkan, apenas uma parte muito pequena poderia ter efeito. (O próprio Barkan participou de alguns desses estudos.) Mas astrônomos experimentais disseram que, embora respeitem a equipe EDGES e o trabalho rigoroso que ela fez, é difícil confiar plenamente em tais medidas. "Se não fosse uma descoberta revolucionária, seria muito mais fácil para as pessoas acreditarem nos resultados", disse Daniel Price, astrônomo da Universidade de Tecnologia Swinburne, na Austrália, trabalhando em experiências semelhantes. "Declarações vívidas exigem evidências vívidas."

Esta mensagem ecoou na comunidade cosmológica desde a publicação de artigos na revista Nature.

Fonte do sussurro

No dia seguinte a Bowman entrou em contato com Barkana e lhe contou sobre um sinal inesperado de EDGES, Barkana foi com a família visitar os pais de sua esposa. Durante a viagem, ele diz, ponderou o sinal, contando à esposa um enigma interessante que Bowman havia lhe contado.

Bowman, com a equipe EDGES, sentiu o gás hidrogênio neutro que encheu o universo nos primeiros milhões de anos após o Big Bang. Esse gás era propenso a absorver a luz, o que levou ao que os cosmólogos poeticamente chamam de "idade das trevas". Embora o espaço tenha sido preenchido com luz de fundo dispersa, a radiação de retorno (RI) - o chamado resplendor do Big Bang - esse gás neutro o absorveu em certos comprimentos de onda. EDGES estava procurando exatamente esse padrão de absorção.

Quando as estrelas começaram a acender no Universo, sua energia deveria aquecer o gás. Como resultado, o gás atingiu uma temperatura suficientemente alta e deixou de absorver o IR. Os sinais de absorção cessaram e a idade das trevas terminou.

O sinal de absorção medido pelo EDGES contém uma riqueza de informações. Foi esticado enquanto o padrão de absorção se movia ao redor do universo em expansão. Os astrônomos podem usar esse trecho para estimar quanto tempo o sinal está em trânsito e, portanto, quando as primeiras estrelas se acendem. Além disso, a largura do sinal detectado corresponde à quantidade de tempo que o gás absorveu a radiação. E a intensidade do sinal - a quantidade de luz absorvida - está associada à temperatura do gás e à quantidade de luz no espaço naquele momento.

Muitos pesquisadores consideram esta última característica a mais interessante. "Essa absorção acabou sendo muito mais forte do que pensávamos possível", disse Stephen Furlaneto, cosmólogo da Universidade da Califórnia em Los Angeles, que estudou o que os dados do EDGES poderiam significar para a formação das primeiras galáxias.


As linhas azuis no gráfico indicam a força de absorção esperada, de acordo com vários modelos. A linha vermelha mostra a absorção medida.

A explicação mais óbvia para a força do sinal seria que o gás neutro estava mais frio do que o previsto, e é por isso que ele pode absorver mais RI. Mas como o universo esfriou de repente? "Estamos falando do período em que as estrelas começaram a se formar", disse Barkana, "sobre a escuridão antes do amanhecer." "Então, tudo estava o mais frio possível." A pergunta é: o que poderia ser ainda mais frio? ”

Quando ele estacionou no gramado da casa dos pais de sua esposa naquele dia de julho, ele teve a ideia: poderia ser matéria escura? De fato, a MT, aparentemente, não interage com a matéria normal através da força eletromagnética - não absorve e não emite calor. Portanto, a TM poderia inicialmente ser mais fria ou resfriar por muito mais tempo do que a matéria normal no início do Universo, e depois continuar a resfriar.

Durante a semana seguinte, ele trabalhou em uma teoria de como a forma hipotética da MT, chamada de " matéria escura das partículas microcarregadas " , poderia ser responsável por isso. A matéria escura com micro-carga (MTM) poderia interagir com a matéria comum, mas apenas através de uma interação fraca. O gás intergalático poderia então esfriar, "de fato, simplesmente despejando calor no setor de matéria escura, que não é mais visível", explicou Furlaneto. Barkana descreveu essa idéia e a enviou à natureza.


Renan Barkana

Então ele começou a trabalhar com essa idéia em mais detalhes e com a ajuda de colegas. Outros cientistas fizeram o mesmo. Imediatamente após o surgimento de trabalhos na Natureza, vários cosmólogos-teóricos começaram a comparar o comportamento desse tipo inesperado de MT com o que sabemos sobre o Universo - décadas de observações de radiação de raios-X, dados de explosões de supernovas, colisões resultam em aceleradores de partículas como o Large Hadron Collider e compreensão astrônomos de como o Big Bang produziu hidrogênio, hélio e lítio nos primeiros minutos do universo. Se havia MTM lá, todas essas observações são significativas?

Mas nada deu certo. Mais precisamente, os pesquisadores descobriram que o MTM pode representar apenas uma pequena fração do número total de TMs no Universo - pequeno demais para criar a falha observada nos dados do EDGES. "100% da TM não pode interagir dessa maneira", disse Anastasia Fialkov , astrofísica da Universidade de Harvard e primeira autora de um artigo enviado à revista Physical Review Letters. Outro trabalho, cuja pré - impressão enviada por Barkan e colegas ao arxiv.org, afirma que esse percentual deve ser ainda menor - não pode ser superior a 1-2% do número total de MTMs. Grupos independentes chegaram à mesma conclusão.

Se não for MTM, o que pode explicar o poder inesperado de absorção de sinal do EDGES? Outra possibilidade é a existência de luz de fundo adicional no início do espaço. Se o Universo primitivo tivesse mais ondas de rádio do que o esperado, "a absorção pareceria mais forte, embora o gás permanecesse o mesmo", disse Furlaneto. Talvez o RI não tenha sido a única luz de fundo na infância do universo.

E essa ideia não é tão estranha. Em 2011, um experimento usando um balão, o ARCADE 2 , relatou a presença de um sinal de rádio de fundo que excedia em força tudo o que era esperado do RI. Os cientistas ainda não conseguem explicar esse resultado.

Após a descoberta do EDGES, vários grupos de astrônomos repensaram os dados. Um grupo estudou a possibilidade de explicar dados usando BH, porque são as fontes extragalácticas mais brilhantes de emissão de rádio no céu. No entanto, as BHs também emitem outros tipos de radiação, por exemplo, raios X, que não são observados no Universo primitivo. Portanto, os astrônomos são céticos em relação à idéia de que BHs podem ser a resposta.

O sinal é real?

Talvez a explicação mais simples para o que está acontecendo seja que os dados estão simplesmente incorretos. As medições são extremamente difíceis. No entanto, aparentemente, a equipe do EDGES fez todo o possível para verificar e verificar novamente seus dados - Price chamou o experimento de "seletivo" - o que significa que, se houver uma falha nos dados, será extremamente difícil encontrar.


Esta antena para o experimento EDGES foi colocada em operação em 2015 em um local remoto no oeste da Austrália, onde praticamente não há interferência de rádio

A equipe da EDGES lançou sua antena de rádio em setembro de 2015. Em dezembro, eles já haviam visto o sinal, disse Raul Monsalve , um cosmologista experimental da Universidade do Colorado em Boulder e membro da equipe da EDGES. "Nós imediatamente suspeitamos dele porque ele era mais forte do que o esperado."

Assim começou sua maratona de due diligence. Eles construíram uma antena semelhante e a instalaram a 150 metros da primeira. Eles giraram as antenas para eliminar influências e ferramentas ambientais. Eles usaram técnicas de calibração e análise separadas. "Fizemos todos os tipos de testes e experimentos para tentar eliminar a probabilidade de o sinal vir do ambiente ou de outra fonte", disse Monsalve. - No começo, não acreditávamos em nós mesmos. Nós pensamos que um sinal tão forte parece muito suspeito, então levamos muito tempo para publicar. ” Eles estão convencidos de que veem o sinal e de que o sinal é inesperadamente forte.

"Acredito no resultado", disse Price, mas enfatizou que os dados ainda precisam ser verificados quanto a erros sistemáticos. Ele mencionou uma área em que o experimento, em princípio, poderia ignorar o erro: a sensibilidade de qualquer antena depende da frequência observada e da direção de chegada do sinal. Os astrônomos podem levar em conta essas imperfeições, medindo ou modelando-as. Bowman e colegas decidiram modelá-los. Price sugere que os membros da equipe EDGES encontrem uma maneira de medi-los e depois analisem novamente o sinal, levando em consideração o efeito medido.

O próximo passo é ter esse sinal detectado em outro detector de rádio, o que significa que o sinal está vindo do céu e não da antena ou do modelo EDGES. Cientistas do projeto LEDA (experimento de grande abertura para detectar a idade das trevas - um experimento com uma grande abertura para detectar a idade das trevas), localizado na Califórnia, no vale de Owens, estão atualmente analisando dados dessa ferramenta. Então eles precisarão confirmar que o sinal tem uma natureza cosmológica e não é produzido em algum lugar da nossa Via Láctea. Esta não é uma tarefa fácil. A emissão de rádio da nossa galáxia pode ser milhares de vezes mais forte que os sinais cosmológicos.

Em geral, os pesquisadores se relacionam com as medidas do EDGES e sua interpretação com uma cota saudável de ceticismo, como dizem Barkana e muitos outros. Os cientistas devem ser céticos em relação às primeiras medições desse tipo - é assim que você pode garantir a confiabilidade das observações, a precisão da análise e a ausência de erros no experimento. É assim que a ciência deve funcionar. "Nós fazemos perguntas, realizamos pesquisas, descartamos oportunidades erradas", disse Tomer Volanski, especialista em física de partículas da Universidade de Tel Aviv, que trabalhou com Barkana em um dos trabalhos. "Buscamos a verdade." Se a verdade é que não é MT, então não é MT ".