Intensos e breves flashes de luz de rádio, chamados de rajadas rápidas de rádio (FRBs, na sigla em inglês), viajam bilhões de anos-luz para chegar à Terra, atravessando uma névoa de matéria ao longo do caminho. A origem dessas rajadas não é clara, mas acredita-se que possa vir de estrelas mortas altamente magnetizadas, chamadas magnetars . Quanto mais densa a névoa que as FRBs atravessam, mais seus sinais se dispersam — de forma semelhante a como um prisma divide a luz branca em um arco-íris de cores.

Graças a essa característica de dispersão, os FRBs são excelentes indicadores de como a matéria comum está distribuída no universo; matéria comum é a mesma substância que compõe pessoas, planetas, estrelas e tudo o que é feito de partículas subatômicas chamadas bárions. À medida que os feixes de rádio dos FRBs atravessam essa matéria em nosso universo, eles podem essencialmente mapear quanta matéria está presente e o quão aglomerada ela é.

Em um novo estudo publicado na revista Nature Astronomy , pesquisadores mostram como essas medições de FRBs podem ajudar a resolver algumas das maiores questões da cosmologia.

"Estabelecemos que os FRBs são uma ferramenta fundamental para investigar a distribuição da matéria no universo", afirma Kritti Sharma (MSc '24), autora principal do novo estudo e aluna de pós-graduação que trabalha com Vikram Ravi, professor de astronomia no Caltech e coautor do artigo. "Esses dados de FRB podem ser usados para aprimorar experimentos cosmológicos que buscam responder a perguntas sobre matéria escura, energia escura e a massa dos neutrinos."

Persistem muitas perguntas sobre a natureza da energia escura, uma força ou substância repulsiva que está fazendo com que nosso universo se desintegre a velocidades cada vez maiores, e sobre a matéria escura, uma substância que supera em muito a matéria em nosso universo, mas não pode ser vista. Mistérios sobre os neutrinos, partículas fantasmagóricas que atravessam livremente a matéria comum, também persistem — incluindo a massa dessas partículas, uma medida que poderia ajudar a revelar como se formaram as estruturas galácticas em grande escala no universo.

Prevê-se que a energia escura, a matéria escura e os neutrinos influenciem a forma como a matéria se aglomera, pelo que os cientistas utilizam observações do céu para mapear essa aglomeração e obter pistas sobre a natureza desses fenómenos cosmológicos. O problema reside no facto de os processos de retroalimentação no interior das galáxias também poderem afetar a homogeneidade ou a aglomeração da matéria, dificultando a capacidade dos investigadores para medir com precisão os efeitos cosmológicos.

Todas as galáxias abrigam buracos negros supermassivos em seus centros, que se alimentam vorazmente da matéria próxima enquanto também ejetam ventos de gás quente e ionizado — ou carregado — em seus arredores. Estrelas em explosão também podem expelir energia para as vizinhanças galácticas. Esse feedback desempenha um papel na homogeneização da matéria fora das galáxias, tornando-a menos aglomerada.

"O processo de feedback torna o gás ao redor das galáxias mais rarefeito, redistribuindo a matéria por vastas distâncias. Ele suaviza aglomerados de matéria de uma forma surpreendentemente semelhante ao que os neutrinos massivos fazem, ou ao que as teorias da energia escura ou da matéria escura preveem", diz Ravi. "A menos que os cientistas consigam medir essa contribuição do feedback de forma independente, eles não poderão distinguir esses efeitos."

O novo estudo, que analisou uma amostra de cerca de 100 FRBs (Fast Radio Bursts), é o primeiro a medir diretamente o impacto do feedback na matéria aglomerada em regiões de grande escala ao redor e entre galáxias. Os resultados mostram que o feedback galáctico de fato suaviza o material circundante, tornando-o menos aglomerado. No entanto, esse efeito é menor do que o medido anteriormente por levantamentos de última geração, incluindo o telescópio de raios X eROSITA e o antigo Telescópio Cosmológico de Atacama, baseado em micro-ondas, no Chile, que encerrou suas atividades em 2022.

"Nossa análise de FRBs revela como o gás ejetado pelo feedback astrofísico suprime a estrutura cósmica, fornecendo restrições que rivalizam com as obtidas por meio de levantamentos de raios X e micro-ondas", afirma a coautora Elisabeth Krause (PhD '12), professora de astronomia e física da Universidade do Arizona. "Isso é incrível, considerando que tínhamos apenas cerca de 100 FRBs em nossa amostra. É só o começo."

O Deep Synoptic Array (DSA) do Caltech, um poderoso radiotelescópio com previsão de conclusão para 2029 em um vale remoto em Nevada, deverá detectar dezenas de milhares de FRBs (Fast Radio Bursts), ampliando consideravelmente o poder desses eventos cósmicos para aprimorar as medições cosmológicas. Os dados do DSA, financiado pela Schmidt Sciences, funcionarão em sinergia com diversos experimentos cosmológicos, incluindo a missão europeia Euclid , na qual o Laboratório de Propulsão a Jato da NASA (JPL) e o centro de astronomia IPAC do Caltech desempenham papéis fundamentais (o Caltech administra o JPL para a NASA); o Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) no Arizona; o Observatório Vera Rubin no Chile; e o recém-lançado Telescópio Nancy Grace Roman da NASA , no qual o JPL e o IPAC do Caltech também atuam.

"O DSA vai revolucionar a área", afirma Ravi, que é o coinvestigador principal do projeto DSA.

O artigo publicado na Nature Astronomy intitula-se " Assinaturas de Agrupamento de Matéria Suprimida Reveladas por Explosões Rápidas de Rádio ". Este trabalho baseia-se numa série de estudos relacionados da equipe, incluindo " Bárions nos Locais Mais Escuros do Universo ", " Iluminando a Teia Cósmica com Explosões Rápidas de Rádio: Uma Antologia de Correlações Cruzadas de Medidas de Dispersão com Estrutura em Grande Escala e Traçadores de Bárions ", " Quantificando o Impacto dos Efeitos de Seleção na Inferência Cosmológica da Relação DM-z de FRBs ", " Investigando o Feedback Bariônico e a Cosmologia com a Estatística de 3×2 Pontos de FRBs e Galáxias " e " Um Modelo Baseado em Simulações Hidrodinâmicas que Conecta a Relação DM-Redshift de FRBs à Supressão do Espectro de Potência da Matéria via Feedback ".

Os coautores do estudo incluem Pranjal RS (Universidade do Arizona); Dhayaa Anbajagane (Universidade de Chicago); e Liam Connor (Harvard e Centro Smithsonian de Astrofísica). Os coautores de estudos relacionados incluem a Professora Assistente Kimmy Wu e o cientista Casey Law (Caltech); Simone Ferraro (UC Berkeley); Sebastian Grandis (Universidade de Innsbruck); David Alonso e William Coulton (Universidade de Oxford); Yi-Kuan Chiang (Instituto de Astronomia e Astrofísica da Academia Sinica); Samuel McCarty (Harvard e Centro Smithsonian de Astrofísica); Nico Schuster (Universidade de Aix-Marselha); Alice Pisani (Universidade de Princeton); Shivam Pandey (Universidade do Arizona); Nico Hamaus (Observatório Universitário de Munique); e Robert Reischke (Universidade de Bonn).

Esta pesquisa foi financiada pela Schmidt Sciences; pela Fundação Nacional de Ciência dos Estados Unidos; pelo Instituto Kavli de Física Teórica; pela Fundação David e Lucile Packard; pelo Conselho Europeu de Investigação; pela Iniciativa Francesa de Excelência da Universidade de Aix-Marselha; pela Agência Austríaca de Promoção da Pesquisa; pelo Ministério Federal da Inovação, Mobilidade e Infraestrutura da Áustria; e pelo Programa Austríaco de Aplicações Espaciais.