Em uma etapa decisiva na busca pelo sinal de hidrogênio neutro da aurora cósmica — a chamada cosmic dawn — e da Época da Reionização (EoR), um consórcio internacional liderado por pesquisadores do SKA Observatory apresentou a simulação mais abrangente já produzida para o Square Kilometre Array em sua configuração de baixas frequências, o SKA-Low.

O trabalho, publicado no The Open Journal of Astrophysics, descreve uma simulação de campo profundo com 1.000 horas de integração entre 106 MHz e 196 MHz — faixa que corresponde ao hidrogênio neutro em redshifts entre z=6,2 e 12,4. Trata-se do período em que as primeiras estrelas e galáxias começaram a iluminar o Universo e a ionizar o meio intergaláctico.

“É a simulação mais sofisticada já realizada para o SKA-Low focada na EoR”, afirma a pesquisadora Anna Bonaldi, do SKA Observatory, autora principal do estudo. “Nosso objetivo foi aproximar ao máximo o cenário simulado das condições reais de observação.”

A detecção da linha de 21 cm do hidrogênio neutro é considerada uma das prioridades científicas do SKA. O desafio é monumental: o sinal cosmológico esperado é três a quatro ordens de magnitude mais fraco que as emissões de rádio provenientes da Via Láctea e de galáxias ao longo da linha de visada.

Enquanto o sinal da EoR varia rapidamente em frequência — decorrelacionando-se em poucos MHz — os foregrounds astrofísicos apresentam comportamento espectral suave. Essa diferença fundamenta as técnicas modernas de remoção de ruído. O problema é que efeitos instrumentais e atmosféricos, como a cromaticidade do feixe do telescópio e distorções ionosféricas, quebram essa suavidade e “misturam” os sinais.

A equipe modelou mais de 15 milhões de fontes extragalácticas, incluindo objetos brilhantes fora do campo de visão — alguns com mais de 5 Jy a 150 MHz — e fontes internas até o limite de 1 microjansky.

O céu galáctico foi representado a partir do modelo GSM2016, complementado por simulações magnetohidrodinâmicas que acrescentam estruturas filamentares em escalas de minutos de arco.

Já o sinal cosmológico foi gerado com o código 21cmFAST (versão 3.2.0), adotando cosmologia Planck 2018. No cenário escolhido, a fração de hidrogênio neutro cai de cerca de 90% em z=9,6 para 10% em z=6,3, cobrindo o coração da reionização.

A configuração simulada inclui 512 estações do SKA-Low, com baselines máximos de 74 km, permitindo resolução angular de até 10 segundos de arco na banda estudada.

Além do céu astrofísico, o estudo incorporou efeitos ionosféricos com múltiplas camadas e evolução temporal; erros de calibração dependentes e independentes de direção; ruído térmico compatível com 1.000 horas de integração; modelagem parcial de “de-mixing” de fontes brilhantes fora do campo.

Segundo os autores, a precisão residual assumida após calibração chega a 0,02° em fase e 0,02% em amplitude, valores considerados ambiciosos, mas plausíveis. 

A simulação serviu de base para o SKA Science Data Challenge 3a (SDC3a), voltado ao desenvolvimento de técnicas de remoção de foregrounds. Um dos resultados centrais foi a constatação de que múltiplas etapas são necessárias: subtração iterativa de fontes pontuais fortes, seguida por remoção de emissão difusa e correção explícita dos efeitos instrumentais.

Outro ponto crítico é a estimativa robusta de erros. “A comunidade ainda precisa avançar na quantificação de incertezas frente a resíduos sistemáticos”, destacam os pesquisadores.

Até agora, experimentos como LOFAR, MWA e HERA conseguiram apenas impor limites superiores ao sinal da EoR. A detecção direta permanece inédita. O SKA, com sensibilidade superior e maior controle sistemático, é visto como a melhor chance de romper esse impasse.

A nova simulação não apenas oferece um campo de testes público para a comunidade, como disponibiliza também os códigos utilizados, permitindo reproduzir e modificar o cenário.

Se o sinal de 21 cm for finalmente detectado, ele abrirá uma janela inédita sobre os primeiros 500 milhões de anos do cosmos — um período ainda envolto em escuridão observacional.

Como resumem os autores: “A detecção da EoR exigirá tratamento conjunto de foregrounds e calibração instrumental. Esta simulação é um passo concreto nessa direção”.