Pela primeira vez, o Experimento Canadense de Mapeamento de Intensidade de Hidrogênio (CHIME) demonstrou que pode detectar o brilho de rádio extremamente fraco do gás hidrogênio do universo distante usando apenas suas próprias observações.
O resultado poderá dar aos cientistas uma forma mais rápida e menos dispendiosa de investigar a energia escura, o fenómeno ainda misterioso que se acredita estar a acelerar a expansão do Universo. Compreender a energia escura é um dos maiores problemas não resolvidos da física moderna. Esta conquista também é um marco importante para o CHIME, que foi originalmente concebido com este tipo de medição em mente. As descobertas foram publicadas em O Jornal Astrofísico.
“O hidrogénio é o elemento mais comum no Universo e a matéria-prima a partir da qual as estrelas se formam”, disse o co-autor Dr. Arnab Chakraborty, pós-doutorando na Universidade de Toronto, que foi o primeiro a propor a descoberta. “As suas fracas emissões de rádio funcionam como um traçador cósmico, revelando como a matéria está distribuída no espaço.”
Os cientistas propuseram explicações concorrentes para a natureza da energia escura. Uma vez que o CHIME pode agora fazer estas medições utilizando os seus próprios dados, os investigadores podem testar ideias de forma independente e reunir evidências que possam apoiar ou desafiar as teorias existentes.
“Esta é uma técnica inteiramente nova para sondar o universo, fornecida por um instrumento que foi concebido, construído e financiado por canadenses”, disse o co-autor Dr. Mark Halpern, professor do Departamento de Física e Astronomia da UBC e investigador principal do CHIME. “Este é um novo passo ousado no programa de cosmologia global e uma história de sucesso canadense.”
Mapeando o Universo com Hidrogênio
CHIME é um radiotelescópio localizado perto de Penticton, British Columbia e hospedado pelo National Research Council of Canada (NRC). O instrumento examina todo o céu do norte todos os dias.
O projeto reúne pesquisadores de todo o Canadá, incluindo cientistas da Universidade da Colúmbia Britânica, da Universidade McGill, da Universidade de Toronto e do Dominion Radio Astrophysical Observatory (NRC). Outros parceiros norte-americanos, incluindo a Universidade Estadual do Arizona, também participam do esforço.
Um dos principais objetivos do CHIME é mapear como o gás hidrogênio foi distribuído no universo primitivo. Ao medir essa estrutura em grande escala, os astrónomos podem reconstruir como o Universo se expandiu ao longo do tempo e usar essas medições para investigar a energia escura.
Até agora, os investigadores do CHIME precisavam de comparar as suas observações de rádio com dados de levantamento de galáxias recolhidos por outros telescópios. Essas pesquisas abordam questões cosmológicas semelhantes, observando a luz das galáxias com maior detalhe. No entanto, podem custar milhões de dólares a mais e investigam principalmente regiões do Universo que são quentes e densas o suficiente para formar estrelas.
Em vez disso, o CHIME mede a emissão de rádio combinada produzida pelo hidrogénio. Esta abordagem permite aos investigadores sondar áreas muito maiores do universo, voltar no tempo e responder às mesmas perguntas por uma fração do custo, sem depender de dados de outras pesquisas.
O que o sinal do hidrogênio indica?
Num artigo anexo, os investigadores analisaram o que o sinal recém-descoberto poderia dizer aos cientistas sobre como o hidrogénio foi distribuído por todo o Universo.
“Os nossos dados sugerem que cerca de dois por cento do hidrogénio no Universo nesta altura estava na forma atómica neutra, o que é amplamente consistente com outras medições,” disse o co-autor Dr. Shabbir Sheikh, pós-doutorando na Universidade Estatal do Arizona. “Ao medir como o hidrogénio é distribuído e agrupado, o CHIME dá-nos uma nova forma de testar a nossa compreensão da formação e evolução das galáxias.”
A medição oferece, portanto, muito mais do que uma nova forma de estudar a expansão cósmica. Também poderia ajudar os pesquisadores a testar modelos de formação de galáxias e a compreender como a matéria se organiza no universo.
Encontrando sinais enterrados no ruído cósmico
Esta descoberta não foi um sucesso repentino. Os pesquisadores tiveram que usar novos métodos de processamento e análise de dados para extrair o sinal extremamente fraco do hidrogênio de fontes de interferência muito mais fortes.
Esse pano de fundo incluía ruído de rádio do universo, sinais produzidos pela tecnologia humana e até efeitos criados por telescópios. Depois de identificar a potencial assinatura de hidrogénio, a equipa testou-a durante mais de um ano para ter a certeza de que o resultado era real.
A sua análise revelou finalmente que o sinal veio do hidrogénio no Universo distante, quando o Universo tinha cerca de cinco mil milhões de anos. Os resultados foram baseados em 94 noites de observações coletadas em 2019.
“Trabalhamos muito para nos convencer de que não se tratava de um alarme falso”, disse o Dr. Chakraborty. “Depois de todos os testes, o sinal permaneceu. Isso nos levou a acreditar que estávamos vendo hidrogênio real do universo distante.”
Faltam sete anos para observações do Chime
Os novos resultados baseiam-se apenas numa pequena parte da informação que o CHIME recolheu desde o início das suas operações.
Os pesquisadores agora têm quase sete anos de observações disponíveis para analisar. Eles estão trabalhando para estender a técnica à história cósmica com o objetivo de estudar a época em que o universo tinha apenas três bilhões de anos.
“Durante muito tempo, os astrofísicos acreditaram que esta técnica de mapeamento de hidrogénio tem um grande potencial com telescópios como este. Ao mostrar realmente que a técnica funciona na prática, abrimos uma janela totalmente nova sobre o universo. Podemos usá-la para testar as nossas teorias atuais e aprender coisas novas sobre galáxias e outras propriedades do universo,” disse o co-autor Dr. Simon Foreman, professor assistente na Arizona State University.
Este projeto é financiado pela Fundação Canadense para Inovação Apoiado pelo Conselho Nacional de Pesquisa do Canadá, pelo Conselho de Pesquisa em Ciências Naturais e Engenharia e pelas Províncias da Colúmbia Britânica, Ontário e Quebec, e pela Aliança Canadense de Pesquisa Digital.
