Cientistas acabam de simular os sinais extremamente fracos emitidos pelo hidrogênio primordial durante as Idades das Trevas cósmicas, este período que precedeu o acendimento das primeiras estrelas. Estas ondas de rádio fósseis, quase indetectáveis da Terra, poderiam revelar a verdadeira natureza da matéria escura graças a futuras missões lunares.
Uma equipe internacional desenvolveu simulações computacionais para estudar como as ondas de rádio de 21 centímetros emitidas pelo hidrogênio neutro durante os primeiros 100 milhões de anos do Universo poderiam trair as propriedades da matéria escura. Esta substância invisível constitui cerca de 80% de toda a matéria cósmica, mas ela não interage com a luz, o que a torna extremamente difícil de observar diretamente. Os pesquisadores publicaram seus resultados na
Nature Astronomy, demonstrando que a força média do sinal de rádio depende fortemente da massa das partículas de matéria escura.
Se estas partículas são muito leves, inferiores a 5% da massa de um elétron, a matéria escura é dita "quente" e impede a formação de pequenas estruturas cósmicas como galáxias anãs. Em contrapartida, partículas mais pesadas criam uma matéria escura "fria" que favorece o desenvolvimento de estruturas em pequena escala. Esta diferença se manifesta na maneira como o gás primordial se aglomerou durante as Idades das Trevas.
Comparação dos cenários de matéria escura fria (esquerda) e quente (direita) mostrando a evolução das estruturas gasosas durante as Idades das Trevas cósmicas
Crédito: Hyunbae Park As simulações revelam como o gás se resfriou progressivamente durante a expansão do Universo enquanto formava aglomerados via interação gravitacional com a matéria escura. Nestas regiões densas, o gás se comprimiu e aqueceu, criando variações de temperatura e densidade que deixaram sua marca no sinal de rádio do hidrogênio. A equipe modelou este sinal e descobriu que sua intensidade média difere significativamente entre os cenários de matéria escura fria e quente.
A detecção deste sinal sutil requer um ambiente de rádio excepcionalmente calmo, impossível de encontrar na Terra devido às interferências humanas e à ionosfera que bloqueia as baixas frequências. O lado oculto da Lua oferece ao contrário um refúgio ideal, protegido das perturbações terrestres. Várias nações desenvolvem atualmente missões lunares dedicadas à astronomia de rádio, incluindo o projeto japonês Tsukuyomi, que planeja implantar antenas de rádio em nosso satélite natural nas próximas décadas.
Sinal de rádio médio do hidrogênio previsto 100 milhões de anos após o Big Bang para diferentes cenários de matéria escura
Crédito: Park et al. As Idades das Trevas cósmicas
As Idades das Trevas cósmicas representam o período que seguiu imediatamente o Big Bang, antes da formação das primeiras estrelas e galáxias. Durante esta era, o Universo estava preenchido por uma névoa de hidrogênio neutro que não emitia nenhuma luz visível, daí o nome de Idades das Trevas.
Este período durou aproximadamente 100 a 200 milhões de anos após o Big Bang, enquanto o Universo continuava sua expansão e resfriamento. O gás de hidrogênio primordial começava apenas a se organizar sob a influência da gravidade, formando as primeiras estruturas que se tornariam mais tarde as galáxias.
O hidrogênio neutro desta época emitia porém uma radiação de rádio muito específica a 21 centímetros de comprimento de onda, correspondente à transição entre dois níveis de energia do átomo de hidrogênio. Este sinal de rádio fóssil constitui nossa única janela de observação direta sobre este período crucial da história cósmica.
O estudo destes sinais permite aos astrônomos retroceder no tempo até os primeiros instantes da estruturação do Universo, bem antes do aparecimento das primeiras fontes luminosas.
Fonte: Nature Astronomy