Ao longo da história, os humanos criaram e compartilharam histórias que refletem sobre a criação das estrelas oso que elas são e como as primeiras estrelas surgiram. Agora, com novos resultados do Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA), um radiotelesca³pio localizado na Reserva de Astronomia Karoo da áfrica do Sul, os cientistas do MIT estãoum pequeno, mas significativo, passo mais perto de entender essa história.

Os pesquisadores do HERA estãoprocurando os primeiros sinais de formação de estrelas e estrutura de gala¡xias. Especificamente, cientistas como Jacqueline Hewitt, professora de física Julius A. Stratton no MIT, estãotentando entender o que aconteceu durante um período chamado de alvorada ca³smica, que ocorreu cerca de 400 milhões de anos após o Big Bang. No ini­cio do outono de 2021, Hewitt, Nicholas Kern, um Pappalardo Fellow em Fa­sica no MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, e outros pesquisadores da colaboração internacional finalizaram os tão esperados resultados coletados e analisados ​​ao longo de quatro anos, durante os primeiros esta¡gios da construção do telesca³pio. Seu estudo, publicado em 7 de fevereiro no The Astrophysical Journal , apresenta novos limites superiores em sinais de ra¡diodo hidrogaªnio ca³smico, que indica a formação inicial de estrelas e da¡ aos cientistas uma imagem mais clara de quando as primeiras estrelas e gala¡xias se formaram. Essas descobertas restringem os modelos teóricos que levantam hipa³teses sobre as origens da aurora ca³smica.

As descobertas do HERA são em parte tão significativas porque foram coletadas em um esta¡gio inicial do desenvolvimento do HERA. O telesca³pio, que opera como um conjunto de antenas paraba³licas, atualmente fica em apenas uma fração de seu tamanho final osos dados foram coletados de apenas 39 das 52 antenas implantadas do HERA. Em sua forma completa, sera£o 350 antenas totais. Uma vez totalmente construa­do, o HERA sera¡sensívelo suficiente para coletar conjuntos de dados e informações ainda maiores de mais longe e, portanto, mais atrás no tempo.

"Ainda não estamos fazendo totalmente o que podemos fazer", diz Kern, principal autor do artigo. "Este resultado éuma demonstração do telesca³pio como uma entidade. a‰ uma demonstração de uma primeira passagem na análise dos dados, que éuma espanãcie de estrutura, um alicerce, se preferir, indo adiante para todas as análises futuras."

Para olhar para o amanhecer ca³smico, o HERA usa ondas de ra¡dio de baixa frequência para identificar sinais que não são facilmente observados. Isso édiferente de outros telesca³pios, como o Telescópio Espacial Hubble, que observa estruturas como gala¡xias que compreendem apenas 5% da matéria observa¡vel no Espaço. Os outros 95 por cento da matéria éo que estãoentre as gala¡xias, incluindo o hidrogaªnio de baixa densidade. Com o HERA, os cientistas podem observar o que estãoacontecendo entre as gala¡xias e usar essa informação para inferir o que as gala¡xias estãofazendo que não podemos observar e como a formação de gala¡xias influencia o espaço ao seu redor.

Para entender esse período da história do universo, os cientistas estãoprocurando o "sinal de giro de rotação", também conhecido como linha de 21 centa­metros, que éo comprimento de onda do gás hidrogaªnio neutro. Este sinal de ra¡dio vem de material intergala¡ctico entre gala¡xias e éproduzido pela emissão e/ou absorção de a¡tomos de hidrogaªnio emitidos por essa transição.

"O que estamos vendo com o HERA anã: como éo sinal de giro do giro durante essa era?" diz Steve Furlanetto, principal tea³rico do projeto HERA e professor associado de física e astronomia da Universidade da Califórnia em Los Angeles.

Identificar a anãpoca da reionização, ou o momento em que o sinal éobservado, éo que importa, diz ele. "Queremos saber se [o sinal] estãoem absorção, o que significaria que estãoantes dos raios-X, ou em emissão, que édepois dos raios-X. E então queremos ver se ele desaparece por causa da reionização."

O sinal tem duas assinaturas, ou processos, que podem ser capturados. O sinal éalterado pela primeira vez quando as estrelas aquecem o gás hidrogaªnio. A segunda parte, que éo que o HERA tem procurado atéagora, éo desaparecimento do sinal de 21 cm, que acontece quando o hidrogaªnio éionizado pela energia produzida pela formação adicional de estrelas. Esta assinatura indica que as estrelas foram criadas.

A linha de 21 cm da aurora ca³smica ainda não foi detectada definitivamente. No entanto, os novos resultados do HERA fornecem dados - mais sensa­veis do que os resultados anteriores por um fator de 10 - sobre a natureza do sinal de rotação de rotação de quando o universo tinha 500 milhões de anos.

Com esses resultados, a equipe HERA conseguiu fornecer evidaªncias que descartam várias teorias possa­veis sobre a formação de gala¡xias. Mais notavelmente, os dados mostram que deve ter havido algum mecanismo para aquecer o hidrogaªnio no Espaço, o que significa que as gala¡xias devem ter buracos negros.

“Se vocêtinha gala¡xias que não tinham buracos negros, isso ébasicamente algo que vocêpode descartar”, diz Furnaletto. “Deve haver aquecimento, o que, no contexto desses modelos, significa que deve haver buracos negros perto dos quais os raios X são produzidos”.

Com financiamento da Gordon and Betty Moore Foundation e da National Science Foundation, o HERA operara¡ em 350 antenas e com um novo design de antena que permitira¡ ao telesca³pio capturar ondas de ra¡dio de frequência mais baixa e pontos de visão em redshifts mais altos, efetivamente vendo mais para trás em Tempo.

Hewitt, lider do projeto de expansão da capacidade de sinal do HERA, vem trabalhando na questãode quando as primeiras estrelas se formaram desde 2004. Ela liderou a prototipagem dos novos componentes de baixa frequência e estãodesenvolvendo mais técnicas para analisar os conjuntos de dados atuais e futuros . O novo projeto de antenas, da Universidade de Cambridge, deve ser instalado no ini­cio de 2022 e aumentara¡ drasticamente o alcance de informações que eles podem obter.

“Essa extensão para frequências mais baixas éimportante porque nos leva a esse período antes das primeiras estrelas”, diz Hewitt, explicando que o aumento do alcance os ajudara¡ a aprender mais sobre os esta¡gios anteriores da história ca³smica.

"a‰ incra­vel como funciona. Vocaª fica meio cansado, mas a s vezes eu paro e penso: 'Estou construindo um instrumento que olha para trás no tempo 13 bilhaµes de anos', sabe?" disse Hewitt. "a‰ incra­vel que possamos realmente fazer isso."