Pela primeira vez, cientistas usaram telescópios terrestres para olhar para trás, mais de 13 bilhões de anos, e ver como as primeiras estrelas do universo afetaram a luz emitida pelo Big Bang.

Usando telescópios no alto das montanhas dos Andes, no norte do Chile, astrofísicos mediram essa luz de micro-ondas polarizada para criar uma imagem mais clara de uma das épocas menos compreendidas da história do universo, o amanhecer cósmico.

"As pessoas pensavam que isso não poderia ser feito a partir do solo. A astronomia é uma área com tecnologia limitada, e os sinais de micro-ondas da aurora cósmica são notoriamente difíceis de medir", disse Tobias Marriage , líder do projeto e professor de física e astronomia da Johns Hopkins. "Observações terrestres enfrentam desafios adicionais em comparação com o espaço. Superar esses obstáculos torna esta medição uma conquista significativa."

As micro-ondas cósmicas têm apenas milímetros de comprimento de onda e são muito fracas. O sinal da luz polarizada de micro-ondas é cerca de um milhão de vezes mais fraco. Na Terra, ondas de rádio transmitidas, radares e satélites podem abafar seu sinal, enquanto mudanças na atmosfera, no clima e na temperatura podem distorcê-lo. Mesmo em condições perfeitas, medir esse tipo de micro-ondas requer equipamentos extremamente sensíveis.

Cientistas do projeto Cosmology Large Angular Scale Surveyor (CLASS) da Fundação Nacional de Ciências dos EUA usaram telescópios projetados exclusivamente para detectar as impressões digitais deixadas pelas primeiras estrelas na luz remanescente do Big Bang — um feito que antes só havia sido realizado por tecnologias implantadas no espaço, como a Sonda de Anisotropia de Micro-ondas Wilkinson (WMAP) da Administração Nacional de Aeronáutica e Espaço dos EUA e os telescópios espaciais Planck da Agência Espacial Europeia.

A nova pesquisa, liderada pela Universidade Johns Hopkins e pela Universidade de Chicago, foi publicada hoje no The Astrophysical Journal .

Ao comparar os dados do telescópio CLASS com os dados das missões espaciais Planck e WMAP, os pesquisadores identificaram interferência e chegaram a um sinal comum da luz de micro-ondas polarizada.

A polarização acontece quando ondas de luz atingem algo e depois se espalham.

"Quando a luz atinge o capô do seu carro e você vê um brilho intenso, isso é polarização. Para enxergar com clareza, você pode usar óculos polarizados para eliminar o brilho intenso", disse o autor principal, Yunyang Li, que era doutorando na Johns Hopkins e, posteriormente, membro da Universidade de Chicago durante a pesquisa. "Usando o novo sinal comum, podemos determinar quanto do que estamos vendo é brilho cósmico da luz refletida no capô da aurora cósmica, por assim dizer."

Após o Big Bang, o universo era uma névoa de elétrons tão densa que a energia luminosa não conseguia escapar. À medida que o universo se expandia e esfriava, os prótons capturavam os elétrons para formar átomos de hidrogênio neutros, e a luz de micro-ondas ficava então livre para viajar pelo espaço intermediário. Quando as primeiras estrelas se formaram durante a aurora cósmica, sua intensa energia arrancou elétrons dos átomos de hidrogênio. A equipe de pesquisa mediu a probabilidade de um fóton do Big Bang encontrar um dos elétrons liberados em seu caminho através da nuvem de gás ionizado e se desviar de sua trajetória.

As descobertas ajudarão a definir melhor os sinais provenientes do brilho residual do Big Bang, ou da radiação cósmica de fundo, e a formar uma imagem mais clara do universo primitivo.

"Medir esse sinal de reionização com mais precisão é uma fronteira importante na pesquisa sobre a radiação cósmica de fundo em micro-ondas", disse Charles Bennett , Professor Emérito da Bloomberg na Universidade Johns Hopkins, que liderou a missão espacial WMAP. "Para nós, o universo é como um laboratório de física. Medições mais precisas do universo ajudam a refinar nossa compreensão da matéria escura e dos neutrinos, partículas abundantes, porém elusivas, que preenchem o universo. Ao analisar dados adicionais do CLASS no futuro, esperamos alcançar a maior precisão possível."

Com base na pesquisa publicada no ano passado que usou os telescópios CLASS para mapear 75% do céu noturno , os novos resultados também ajudam a solidificar a abordagem da equipe CLASS.

"Nenhum outro experimento terrestre pode fazer o que o CLASS está fazendo", diz Nigel Sharp, diretor de programa na Divisão de Ciências Astronômicas da NSF, que apoia o instrumento e a equipe de pesquisa do CLASS desde 2010. "A equipe do CLASS melhorou muito a medição do sinal de polarização cósmica de micro-ondas, e esse impressionante avanço é uma prova do valor científico produzido pelo apoio de longo prazo da NSF."