Luz das primeiras estrelas do Universo detectada, e ela pode confirmar a existência da matéria escura

Esta semana os astrônomos anunciaram que, pela primeira vez, foi detectado os sinais de luz das mais antigas estrelas a se formarem no Universo - cerca de 180 milhões de anos após o Big Bang. E esse grande achado - descrito em um estudo publicado na Nature - trouxe uma pista importante sobre a existência da matéria escura (1).

Hoje é consenso entre os cientistas de que o Big Bang - evento inicial de expansão do Universo há 13,8 bilhões de anos (2) - gerou um ambiente constituído primariamente de plasma ionizado (elétrons e prótons soltos e em alta velocidade), este o qual rapidamente se resfriou à medida que o Universo se expandia. Após cerca de 370 mil anos do evento primordial, esse ambiente começou a formar átomos neutros de hidrogênio a partir das subpartículas soltas. Com o passar do tempo - e sobre o efeito dos campos gravitacionais (3) - as massiva quantidade de hidrogênio sendo formada em todo canto começou a se aglutinar para formar as primeiras estrelas (via fusão nuclear desses átomos (4)). Essa transição é conhecida como 'Aurora Cósmica'.

Porém, a energia eletromagnética emitida por essas primeiras estrelas estaria hoje muito fraca (dispersa) para ser detectada com mínima praticidade por telescópios da Terra. Mas existe um modo mais fácil para detectá-las: a luz emitida por essas estrelas causariam uma mudança de comportamento do hidrogênio que antes preenchia o espaço entre as estrelas (alteração do estado de excitação), permitindo que esse elemento absorvesse fótons da radiação das microondas cósmicas de fundo (MCF) - geradas após o Big Bang - em um característico comprimento de onda de 21 centímetros, o que acarretaria em uma variação de intensidade das MCF. Assim, de forma indireta, os pesquisadores podem detectar a emissão energética das primeiras estrelas, algo, de fato, agora alcançado.

Para captar essas variações nas MCF, os astrônomos usaram um rádio-telescópio chamado de Experiment to Detect the Global Epoch of Reionization Signature (EDGES), localizado na Austrália. Como a faixa de ondas procurada - menor do que 200 megahertz na frequência de rádio - também é gerada por nossa galáxia e também pela atividade humana diária, os pesquisadores tiveram que filtrar bem esses ruídos para que falsos-positivos não fossem gerados. Após um período de observações, finalmente o sinal teoricamente predito foi encontrado, e mesmo sendo uma distorção de apenas 0,1% nas MCF, isso foi cerca de duas vezes a magnitude esperada.

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Depois da descoberta, os astrônomos passaram mais 2 anos buscando por sinais de ruídos que poderiam indicar um engano de detecção. Porém, nada foi encotrado, incluindo nenhuma outra explicação alternativa para o sinal captado.

Como a radiação dos primórdios do Universo acaba sendo esticada pela expansão do Universo (5), isso significa que a banda englobando o sinal encontrado dá a sua idade proporcional a esse esticamento, a qual foi estimada em 180 milhões de anos após o Big Bang. Já o desaparecimento do sinal aponta outro dado: a grande quantidade de raios-X da morte dessas estrelas aqueceu as massas de hidrogênio ao redor, suprimindo o sinal - algo que os cientistas acreditam que ocorreu 250 milhões de anos após o Big Bang.

Mas algo realmente interessante foi a grande intensidade da variação radiativa detectada, o dobro de magnitude esperada, como já mencionado. Isso sugere que havia mais radiação do que o predito teoricamente na Aurora Cósmica ('mais quente') ou que a massa de gás hidrogênio era mais fria do que o calculado. Para os cientistas, a única explicação que parece fazer sentido era que o gás estava sendo resfriado por algo e isso aponta diretamente para a misteriosa matéria escura. É sugerido teoricamente que a matéria escura era fria (1) na Aurora Cósmica, podendo ter resfriado o gás via sua interação conjunta com bárions. Se isso for confirmado, seria a primeira vez que estamos detectando matéria escura por outros meios além do seu efeito gravitacional, fortalecendo sua existência. Somando-se a isso, fica também implícito que a matéria escura é menos densa do que a atual teoria sugere, o que pode explicar o porquê dos astrônomos ainda não terem conseguido detectá-la diretamente, dando também novas possibilidades de busca.

Agora, os astrônomos querem otimizar os instrumentos de busca dos sinais dessas estrelas primordiais, e criar um verdadeiro mapa de intensidades dessas emissões ao longo do céu. Isso pode abrir um promissor caminho para entendermos profundamente os passos iniciais do Universo e também, finalmente, confirmar a ainda controversa existência de matéria escura preenchendo grande parte do Cosmo.

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