Como o sinal de 21 centímetros pode revelar as primeiras estrelas do Universo

Indícios das primeiras estrelas a iluminar o Universo podem estar escondidos num fraco sinal de rádio que chega até nós como um brilho tímido vindo do alvorecer do tempo.

Esse vestígio é o sinal cosmológico de 21 centímetros, emitido pelo hidrogénio neutro que preenchia o espaço entre as estrelas apenas 100 milhões de anos após o Big Bang. A forma como esse sinal aparece pode ter sido alterada por processos que acabaram por registar, de maneira indireta, características dessas estrelas primordiais.

Ainda não alcançámos esse objetivo - por enquanto. Mas medições feitas por uma nova geração de radiotelescópios devem permitir que astrónomos extraiam pistas sobre as massas das primeiras estrelas, um dado essencial para compreender a evolução do Universo, especialmente durante a sua fase inicial, tão difícil de observar.

"Esta é uma oportunidade única de aprender como a primeira luz do Universo emergiu da escuridão", afirma a astrónoma Anastasia Fialkov, da Universidade de Cambridge e do Instituto Kavli de Cosmologia, no Reino Unido. "A transição de um Universo frio e escuro para outro repleto de estrelas é uma história que estamos apenas a começar a compreender."

Do plasma à noite cósmica

No princípio, predominava a escuridão. O Universo, minúsculo mas em rápida expansão, estava tomado por um nevoeiro quente e denso de plasma, composto por pequenos núcleos atómicos e eletrões livres.

Com o arrefecimento, essas partículas passaram a ligar-se, formando hidrogénio neutro e uma pequena quantidade de hélio. Só que, sem muitas estrelas no cenário, a escuridão manteve-se por bastante tempo.

É a partir desse gás neutro que, em teoria, as primeiras estrelas se formaram. Ainda assim, apesar de todos os esforços, não conseguimos identificar diretamente uma estrela pertencente a essa primeira geração que brilhou no meio da noite cósmica.

Para alguns astrónomos, a razão pode ser simples: essas primeiras estrelas teriam sido gigantescas - com massas milhares de vezes superiores à do Sol - e vidas extremamente curtas. Objetos tão massivos teriam nascido e desaparecido num piscar de olhos em termos cosmológicos.

O sinal cosmológico de 21 centímetros e as marcas das primeiras estrelas

Um perfil como esse torna a deteção direta muito complicada, mas essas estrelas podem ter deixado outras assinaturas no Universo. Uma candidata é justamente o sinal cosmológico de 21 centímetros: uma emissão de rádio extremamente ténue produzida pelo hidrogénio neutro interestelar do Universo primordial, quando os eletrões invertiam os seus spins.

Infraestruturas como o Conjunto de Um Quilómetro Quadrado (SKA), em construção na Austrália e na África do Sul, e o Experimento de Rádio para a Análise do Hidrogénio Cósmico (REACH), na África do Sul, devem ter sensibilidade suficiente para observar essa emissão fraca. E, quando esses dados finalmente chegarem, um novo estudo indica exatamente que tipo de padrão procurar para reconhecer a influência das primeiras estrelas.

Modelos, ultravioleta e raios X: como estimar a massa das primeiras estrelas

Num trabalho liderado pelo astrofísico Thomas Gessey-Jones, de Cambridge e do Instituto Kavli de Cosmologia, a equipa modelou o sinal de 21 centímetros e concluiu que as primeiras estrelas teriam provocado nele um efeito que, em princípio, pode ser detetado e quantificado.

O estudo não só aponta que a assinatura é mensurável, como também descreve a sua aparência - de modo que, quando as observações forem realizadas, os cientistas possam reconhecer o que encontraram.

"Somos o primeiro grupo a modelar de forma consistente a dependência do sinal de 21 centímetros em relação às massas das primeiras estrelas, incluindo o impacto da luz ultravioleta estelar e das emissões de raios X de binárias de raios X produzidas quando as primeiras estrelas morrem", diz Fialkov.

"Essas perceções vêm de simulações que integram as condições primordiais do Universo, como a composição de hidrogénio-hélio produzida pelo Big Bang."

Quando estrelas muito massivas chegam ao fim, os seus núcleos colapsam sob a gravidade e dão origem aos objetos mais densos do Universo: estrelas de neutrões e buracos negros. Esses extremos cósmicos geram radiação X intensa, capaz de alterar profundamente o material ao seu redor.

Segundo os investigadores, trabalhos anteriores que simulavam a influência das primeiras estrelas no sinal de 21 centímetros não incorporavam essa componente de radiação X.

É possível que a curva obtida em modelos não coincida exatamente com o que será medido - mas o avanço, de acordo com a equipa, aproxima os astrónomos do objetivo de identificar o sinal e interpretá-lo.

"As previsões que estamos a relatar têm enormes implicações para a nossa compreensão da natureza das primeiras estrelas do Universo", afirma o astrónomo Eloy de Lera Acedo, de Cambridge.

"Mostramos evidências de que os nossos radiotelescópios podem fornecer detalhes sobre a massa dessas primeiras estrelas e sobre como essas luzes iniciais podem ter sido muito diferentes das estrelas de hoje."

A pesquisa foi publicada na revista Astronomia da Nature.