Astronomia: o radiotelescópio que está sendo construído na Paraíba para ajudar a desvendar mistérios da energia escura no Universo

As oscilações criadas por essas ondas no plasma deixaram uma marca permanente na distribuição de matéria pelo Universo. E essas oscilações também fornecem aos astrônomos indicações sobre um dos mistérios mais profundos do nosso Universo atual: aquela força misteriosa conhecida como energia escura.

As ondas sonoras primordiais — também conhecidas como oscilações acústicas de bárions (BAOs, na sigla em inglês) — foram formadas quando as partículas do Universo inicial começaram a se reunir, atraídas pela gravidade.

“A força gravitacional da matéria escura nos primórdios do Universo criou ‘poços de potencial’, que atraíam o plasma para o seu interior”, segundo a física brasileira Larissa Santos, professora do Centro de Gravitação e Cosmologia da Universidade de Yangzhou, na China.

Mas o plasma era tão quente que também criava outra força, na direção oposta. “Os fótons criavam pressão de radiação que lutava contra a gravidade e empurrava tudo de volta para o lado externo. Esta luta criava oscilações acústicas — ondas sonoras”, explica a professora.

As BAOs irrompiam de incontáveis poços de potencial, formando esferas concêntricas de energia sonora em expansão. Elas se entrecruzavam, esculpindo o plasma em padrões de interferência tridimensionais complexos e deslumbrantes.

Se houvesse seres humanos vivendo na época das “oscilações acústicas de bárions” (BAOs), eles não teriam ouvido nenhum ruído. Os sons estavam cerca de 47 oitavas abaixo da primeira nota do piano. Seus comprimentos de onda eram gigantescos — cerca de 450 mil anos-luz.

Esses estrondos inaudíveis e incrivelmente profundos viajavam através de um meio incapaz de ser penetrado, até pelos nossos telescópios mais poderosos.

Quando mais profundamente olhamos para o Universo, mais retornamos na sua história. Isso se deve ao tempo que a luz leva para chegar até nós.

Mas só conseguimos ver tão longe porque as cargas elétricas dos prótons e elétrons liberados naqueles primeiros estágios de vida do Universo espalhavam e difundiam a luz, criando um brilho aleatório impenetrável.

Enquanto isso, as BAOs criaram padrões nesse meio que oscilavam para o lado externo. Por isso, podemos observar suas evidências no Universo atual.

O Telescópio Espacial Planck, da Agência Espacial Europeia, conseguiu captar ecos de BAOs dos primórdios do Universo, que os cientistas traduziram para frequências audíveis.

O zumbido é composto de um tom baixo com sobretons mais altos. Ele foi processado para produzir um arquivo sonoro com ruídos intensos, que podem ser ouvidos por seres humanos.

Quando atingiu cerca de 379 mil anos de idade, o Universo se resfriou o suficiente para que os prótons e elétrons se emparelhassem, formando os primeiros átomos de hidrogênio neutros. O plasma então desapareceu, o que deixou o Universo subitamente transparente e permitiu a transmissão da luz.

Ao mesmo tempo, a batalha entre a radiação e a gravitação chegou ao fim. As BAOs cessaram e o Universo entrou em silêncio.

Um jato de energia luminosa começou então a se espalhar pelo Universo. Ele era tão poderoso que ressoa até hoje pelos radiotelescópios, atraindo os físicos como um sinal da radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB, na sigla em inglês), 13 bilhões de anos depois.

A CMB é o registro visual mais antigo e detalhado dos primórdios do Universo. Ela oferece aos cientistas um “registro fóssil” dos primeiros sons do cosmos.

“Nós vemos [os sons] impressos na radiação cósmica de fundo em micro-ondas e também na estrutura do Universo em larga escala”, segundo Santos. A física brasileira participa de um novo projeto de radiotelescópio internacional para analisar os ecos modernos daquela canção antiga.

“Sua assinatura é encontrada na quantidade levemente excessiva de pares de galáxias que são separadas em uma escala fixa de 150 Megaparsecs – cerca de 500 milhões de anos-luz”, explica a professora.

As assinaturas de BAO não são apenas indicações de como seriam os primeiros sons do Universo. Elas também servem de padrão para medir os efeitos de outro fenômeno invisível: a energia escura.

A energia escura faz o Universo se expandir. Seus efeitos estão em toda parte, mas sua natureza é desconhecida.

O estudo da escala das assinaturas de BAO a diferentes distâncias da Terra conta como os efeitos da energia escura alteraram a história do Universo.

“Chamamos de régua padrão”, afirma Santos. “Temos esta escala fixa. Pelas suas variações aparentes, podemos saber como o Universo evoluiu ao longo do tempo.”

Larissa Santos faz parte do projeto internacional responsável pelo radiotelescópio Bingo, atualmente em construção na Paraíba. Bingo é a sigla em inglês de “BAOs de Observações Integradas de Gás Neutro”.

O radiotelescópio será sintonizado com as assinaturas de radiação características do hidrogênio — o átomo mais simples, mais antigo e mais abundante do Universo.

Os átomos de hidrogênio liberam radiação com comprimento de onda de 21 centímetros. Este comprimento é invisível para o olho humano, mas pode ser detectado pelo radiotelescópio.

A energia escura “estica” a radiação das nuvens de hidrogênio mais distantes. Com isso, o comprimento de onda observado aqui na Terra aumenta. Quanto maior a distância, maior o comprimento de onda.

“Você escolhe a frequência do radiotelescópio de acordo com a época do Universo que você quer medir”, explica Santos.

O radiotelescópio Bingo foi projetado para mapear a distribuição do hidrogênio entre um bilhão e quatro bilhões de anos-luz atrás — o que é relativamente próximo, na escala cósmica de tempo e espaço.

Os dois enormes espelhos parabólicos do Bingo refletem essa radiação primordial sobre um conjunto de 50 detectores de ondas dirigidas, conhecidos como “cornetas”.

A base móvel do telescópio é o planeta onde ele está sendo construído. A rotação da Terra movimenta o equipamento sob as estrelas, varrendo uma área do céu de 15 por 200 graus.

Usando cálculos estatísticos complexos, a professora Larissa Santos irá analisar os dados para localizar milhões de galáxias, examinando as distâncias relativas entre elas. Com isso, será possível estudar com mais profundidade como a energia escura afetou os padrões de BAOs naquela época.

“O Bingo irá examinar o Universo posterior, depois que a energia escura dominou a expansão. É um grande complemento para outros experimentos”, segundo ela. E muitos desses outros experimentos já começaram ou estão planejados.

“O mapeamento da intensidade de hidrogênio, em princípio, pode medir qualquer coisa no Universo entre os dias atuais e a CMB. É um imenso volume a ser explorado”, afirma a professora de física Cynthia Chiang, que estuda a densidade do hidrogênio na Universidade McGill em Montreal, no Canadá.

“O Bingo e outros experimentos similares procuram os gases que ficam dentro das galáxias. Eles são um marcador de onde está a matéria”, explica a professora.

Os instrumentos sintonizados em regiões relativamente próximas são do interesse de Chiang, mas ela também deseja obter respostas sobre o restante da história cósmica.

“Minha abordagem é muito ambiciosa”, afirma Chiang, rindo. “Estou organizando um experimento sintonizado em frequências correspondentes à ‘Idade das Trevas’.”

“Este é o período imediatamente seguinte à formação das micro-ondas de fundo. Nunca tivemos acesso à cosmologia daquele período porque é muito, muito difícil”, segundo a professora.

Entre a “superfície da última dispersão” (quando o plasma bariônico deu lugar à CMB) e a “madrugada cósmica” (quando brilhou a luz da primeira estrela), existe um intervalo de 250 a 350 milhões de anos. As BAOs deixaram nuvens de hidrogênio agrupadas em finas estrias, como as ondas do mar em refluxo, que deixam ondulações na areia.

Antes que Chiang possa ter acesso à radiação de 21 cm daquela época, ela precisa projetar experimentos para excluir os sinais mais recentes da nossa própria galáxia, que podem mascarar os dados mais antigos.

“Este primeiro experimento ainda não irá chegar à cosmologia”, explica ela. “O objetivo é mapear as emissões da Via Láctea nessas frequências em resolução muito alta, para podermos conhecer a aparência do céu na primeira passagem. Depois, esperamos poder subtrair aquilo e chegar à cosmologia.”

“Como o nome indica, na Idade das Trevas, o Universo era um lugar muito escuro e monótono”, prossegue a professora. “Ali, o sinal que você recebe é uma emissão de 21 cm quase uniforme daquela parede de hidrogênio.”

“Mas existem flutuações sutis de brilho que correspondem às densidades mais altas e mais baixas. Você consegue minúsculos pontos frios e quentes.”

Para a professora, a CMB é como uma fotografia estática que captura, em detalhes impressionantes, um momento fundamental da evolução cósmica. Mas o mapeamento da densidade do hidrogênio na Idade das Trevas também capturaria centenas de milhões de anos imediatamente posteriores.

“Você consegue sondar um volume tridimensional”, explica Chiang. “Se você conseguir medir o mesmo tipo de informação da CMB, mas refletido sobre hidrogênio, você consegue muito mais dados e, potencialmente, pode restringir ainda mais os parâmetros cosmológicos.”

“Se chegarmos lá, será maravilhoso. Mas é um caminho muito, muito longo.”

Os experimentos planejados por Cynthia Chiang e o telescópio Bingo somam-se a um conjunto cada vez maior de instrumentos de observação inovadores que pretendem desvendar a história das BAOs, a estrutura do Universo em larga escala e a energia escura invisível que separa as galáxias.

“Quando medimos o céu, medimos tudo”, explica Larissa Santos. “A CMB, o hidrogênio neutro, as fontes das galáxias, todo este tipo de coisas. Precisamos conseguir reconhecer o que é um sinal cosmológico e o que é outra coisa qualquer.”

Santos também espera que as BAOs revelem ainda mais sobre o passado do Universo, perfurando a parede de plasma com 379 mil anos de espessura para fornecer dados sobre a fração de segundo anterior – a “era inflacionária” do Universo. Afinal, a maioria dos cosmólogos acredita que, naquela era, o espaço tenha se expandido com velocidade maior que a da luz.

A inflação cósmica é uma teoria amplamente aceita sobre a evolução do Universo do seu estado original minúsculo, quente e denso, até se tornar o cosmos que vemos hoje em dia.

Esta teoria passou por muitos modelos, variações e simulações. Ela oferece muitas previsões consistentes que foram testadas e verificadas, embora não haja evidências diretas a respeito.

“Muitas teorias inflacionárias já foram descartadas pelas nossas observações”, segundo Santos. “Com as medições que queremos ver, podemos determinar quais teorias se adaptam melhor às medições antes de seguir adiante.”

As oscilações acústicas de bárions existiram apenas por algumas centenas de milhares de anos. Mas elas ajudaram a criar a história do Universo invisível do começo ao fim.

Agora, elas ajudam os cientistas a contar essa história.