Um satélite do tamanho de uma pequena mala poderia ajudar os cientistas a investigar um dos períodos menos compreendidos da história cósmica: os cerca de 150 milhões de anos de escuridão antes das primeiras estrelas do Universo começarem a brilhar.
A espaçonave desenvolvida no Reino Unido é chamada CosmoCube. Uma equipe de pesquisa internacional liderada pela Universidade de Cambridge planeja colocá-lo em órbita ao redor da Lua, onde o lado oculto da Lua pode bloquear a interferência de rádio da Terra. Nesse ambiente invulgarmente silencioso, o CosmoCube irá ouvir um sinal excepcionalmente fraco deixado pelo Universo primitivo.
Ouvindo o sinal das primeiras estrelas
Os cientistas chamam esse sinal de linha de 21 centímetros. Provém de átomos de hidrogénio que existiram durante o período entre o Big Bang e o brilho duradouro da alvorada cósmica, quando a fusão nuclear teve início no interior das primeiras estrelas.
Ninguém observou diretamente este capítulo da história cósmica.
O sinal que o CosmoCube irá procurar originou-se há mais de 13,5 mil milhões de anos, mas é extremamente difícil de detectar na Terra. A ionosfera do nosso planeta impede que frequências de rádio relevantes cheguem aos observatórios terrestres, enquanto a radiodifusão FM, os satélites e as telecomunicações geram interferências adicionais que podem afectar o sinal cósmico fraco.
A lua oferece uma solução natural.
Quando o CosmoCube passa atrás da Lua, o corpo lunar bloqueará o ruído de rádio da Terra por cerca de 40 minutos durante cada órbita de duas horas. Durante a missão esperada de dois anos da espaçonave, os pesquisadores esperam coletar cerca de 1.000 horas de observações de uma das últimas eras amplamente desconhecidas do universo.
Estas medições podem ajudar a explicar como o Universo mudou de um lugar escuro e relativamente vazio para o rico universo de estrelas, galáxias e outras estruturas vistas hoje.
O projeto recebeu financiamento da Agência Espacial do Reino Unido e os investigadores esperam que o CosmoCube possa ser lançado nos próximos cinco anos. Detalhes da missão foram publicados astronomia da natureza.
Descoberta dos primeiros efeitos da matéria escura
O CosmoCube foi projetado para investigar mais profundamente o passado do que as primeiras estrelas. Os investigadores também esperam que as suas observações esclareçam a matéria escura e a sua influência na formação das primeiras estruturas cósmicas.
A matéria escura não pode ser observada diretamente, mas a sua influência gravitacional é importante para explicar como as galáxias e outras grandes estruturas se mantêm unidas.
“Esta emissão de hidrogénio após o Big Bang, mas antes das primeiras estrelas, irá permitir-nos compreender o papel da matéria escura no Universo primitivo, como agiu para reunir o hidrogénio nas primeiras estrelas e galáxias,” disse o autor principal, Professor Eloy de Leyra Acedo, do Laboratório Cavendish de Cambridge.
Para chegar a esses tempos antigos, o CosmoCube observará frequências de rádio entre 10 e 50 MHz. Estas frequências são em grande parte inacessíveis aos telescópios operados em terra, tornando a Lua um local particularmente valioso para experimentação.
“Não há outro lugar onde se possa obter o gradiente necessário para detectar tal sinal de luz, e ao mesmo tempo se possa ver todo o espaço”, disse De Lera Acedo, afiliado ao Instituto Kavli de Cosmologia. “O outro lado da Lua é realmente a única opção: resolve vários problemas ao mesmo tempo, abrindo uma janela clara para o universo primitivo.”
Transformando a Lua em um escudo de rádio
Depois de atingir a órbita lunar, o CosmoCube implantará uma antena de rádio longa e leve. À medida que a sonda segue a Lua, essa antena irá procurar um sinal de hidrogénio de 21 centímetros do Universo primitivo, enquanto a superfície lunar bloqueia a interferência da Terra.
A detecção desses sinais fracos requer extrema precisão. O CosmoCube irá, portanto, monitorar e ajustar continuamente seus próprios componentes eletrônicos usando um calibrador com “decaimento comutado”. O sistema alternará entre a observação do céu e a medição de diversas fontes de referência internas.
O objetivo deste processo é identificar e remover pequenas variações ou ruídos eletrônicos gerados por espaçonaves, que de outra forma poderiam ser confundidos com sinais da história cósmica profunda.
Os pesquisadores realizarão processamento adicional após o retorno das observações à Terra. Técnicas estatísticas bayesianas avançadas serão usadas para isolar o sinal desejado das emissões de rádio em primeiro plano, particularmente aquelas produzidas pela nossa própria galáxia.
Simulações computacionais e medições coletadas durante a missão também permitirão aos pesquisadores reconstruir como a antena do CosmoCube responde a diferentes áreas do céu. Os cientistas podem então corrigir as distorções restantes que podem interferir nos resultados.
“Além da ciência, o que torna a nossa missão única é o seu tamanho: estamos investigando as partes mais antigas e sombrias da Idade das Trevas, onde outros não conseguem chegar, mas com uma plataforma compacta e de custo relativamente baixo”, disse de Lera Acedo.
Um pequeno satélite com uma missão ambiciosa
O silêncio de rádio disponível atrás da Lua pode tornar-se cada vez mais valioso. Os EUA, a Índia e outros países também estão a planear missões destinadas a tirar partido do ambiente de rádio invulgarmente silencioso no outro lado da Lua.
O próprio CosmoCube consiste em um radiômetro em miniatura altamente integrado que combina modernas tecnologias analógicas e digitais usando a chamada tecnologia RF System on Chip (RFSoC).
A plataforma da nave espacial CosmoCube (‘SSTL-21’) está a ser desenvolvida no Reino Unido pela Surrey Space Technology Limited (SSTL), uma empresa especializada no fabrico de pequenos satélites.
O desenvolvimento do dispositivo já está em andamento. Foram construídos protótipos laboratoriais funcionais, estão a ser realizados testes ambientais e os investigadores estão a colaborar com parceiros da indústria. Os parceiros académicos do Reino Unido incluem a Universidade de Portsmouth e o STFC RAL Space, enquanto investigadores de países da UE, incluindo Malta, também participam.
A equipa CosmoCube participou recentemente na ESA Mini Fast Mission Call for Ideas, com a missão proposta a custar menos de 50 milhões de euros.
“O CosmoCube pretende fazer ciência ambiciosa a partir de um satélite muito pequeno em um ambiente desafiador, e isso requer algumas técnicas de design inteligentes”, disse o co-autor Dr. Will Grainger do STFC RAL Space. “Trabalhamos com parceiros do projeto para desenvolver modelos representativos do satélite e da sua carga útil. Estes foram testados nas nossas instalações para garantir que o desempenho térmico permite que a carga útil opere e faça as medições sensíveis necessárias sob as várias condições de temperatura que irá experimentar em órbita ao redor da Lua. No futuro, esperamos desenvolver ainda mais a carga útil completa em preparação para uma missão completa.”
Uma nova janela para a idade das trevas cósmica
Se for bem-sucedido, o CosmoCube poderá demonstrar que não são necessárias naves espaciais enormes para fazer grandes descobertas sobre o universo primitivo.
Em vez disso, um satélite compacto localizado num dos ambientes de rádio mais silenciosos disponíveis perto da Terra poderia dar aos cientistas acesso a uma era que até agora tem estado além da observação direta.
“Esta pode ser uma verdadeira história de sucesso no Reino Unido: o hardware, o software, a implementação e a tecnologia estão todos a ser desenvolvidos aqui e pode ajudar-nos a responder a uma das questões mais profundas do universo”, disse de Lera Acedo.
Este trabalho foi parcialmente apoiado pela Agência Espacial do Reino Unido, pela Fundação Kavli e pelo Conselho de Facilitação de Ciência e Tecnologia (STFC), parte da Pesquisa e Inovação do Reino Unido (UKRI). Eloy de Lera Acedo é membro do Selwyn College, Cambridge.
