Por dentro da tentativa de mapear o Universo com explosões de energia de radiofrequência
Natureza e Espaço

Por dentro da tentativa de mapear o Universo com explosões de energia de radiofrequência

Os astrónomos ainda não sabem o que causa as explosões rápidas de rádio, mas estão a começar a usá-las para iluminar o espaço entre as galáxias.

Quando o nosso universo tinha menos de metade da idade do que tem hoje, uma explosão de energia capaz de cozinhar pipocas no valor de um sol disparou de um lugar no meio de um grupo compacto de galáxias. Cerca de 8 mil milhões de anos mais tarde, as ondas de rádio dessa explosão chegaram à Terra e foram captadas por um sofisticado radiotelescópio de baixa frequência no interior da Austrália.

O sinal, que chegou a 10 de junho de 2022 e durou menos de meio milissegundo, faz parte de uma classe crescente de sinais de rádio misteriosos chamados “fast radio bursts”. Nos últimos 10 anos, os astrónomos captaram cerca de 5.000 deles. Esta era particularmente especial: tinha quase o dobro da idade de qualquer outra anteriormente observada e era três vezes e meia mais energética.

Mas, tal como as outras que vieram antes, era um mistério. Ninguém sabe o que causa as explosões rápidas de rádio. Elas surgem num padrão aparentemente aleatório e imprevisível por todo o céu. Algumas surgem do interior da nossa galáxia, outras de profundezas do Universo ainda não examinadas. Algumas repetem-se em padrões cíclicos durante dias seguidos e depois desaparecem; outras têm-se repetido consistentemente de poucos em poucos dias desde que as identificámos pela primeira vez. A maioria nunca se repete de todo.

Apesar do mistério, estas ondas de rádio estão a começar a revelar-se extraordinariamente úteis. Na altura em que os nossos telescópios as detectam, já passaram por nuvens de plasma quente e ondulante, por gás tão difuso que as partículas mal se tocam, e pela nossa própria Via Láctea. E de cada vez que atingem os electrões livres que flutuam em todo esse material, as ondas deslocam-se um pouco. As que chegam aos nossos telescópios trazem consigo uma impressão digital manchada de toda a matéria comum que encontraram entre o local de onde vieram e onde estamos agora.

Isto faz com que as explosões rápidas de rádio, ou FRBs, sejam ferramentas valiosas para a descoberta científica – especialmente para os astrónomos interessados no gás e poeira muito difusos que flutuam entre as galáxias, sobre os quais sabemos muito pouco.

“Não sabemos o que são e não sabemos o que as provoca. Mas isso não importa. Esta é a ferramenta que teríamos construído e desenvolvido se tivéssemos a oportunidade de fazer de Deus e criar o Universo”, diz Stuart Ryder, astrónomo da Universidade Macquarie, em Sydney, e principal autor do artigo da Science que relatou a explosão recorde.

Muitos astrónomos sentem-se agora confiantes de que a descoberta de mais FRBs distantes lhes permitirá criar o mapa cosmológico tridimensional mais detalhado alguma vez feito – o que Ryder compara a uma TAC do Universo. Mesmo há apenas cinco anos, fazer um mapa destes poderia parecer um desafio técnico intratável: detetar uma FRB e depois registar dados suficientes para determinar a sua origem é extraordinariamente difícil, porque a maior parte do trabalho tem de acontecer nos poucos milissegundos que antecedem a passagem da explosão.

Mas esse desafio está prestes a ser eliminado. Até ao final desta década, uma nova geração de radiotelescópios e tecnologias relacionadas, a entrar em funcionamento na Austrália, Canadá, Chile, Califórnia e noutros locais, deverá transformar o esforço para encontrar FRBs – e ajudar a desvendar o que nos podem dizer. O que antes era uma série de descobertas por acaso tornar-se-á algo quase rotineiro. Os astrónomos não só conseguirão construir um novo mapa do Universo, como terão a oportunidade de melhorar consideravelmente a nossa compreensão de como as galáxias nascem e como mudam ao longo do tempo.

Onde está a matéria?

Em 1998, os astrónomos contaram o peso de toda a matéria identificada no Universo e obtiveram um resultado intrigante.

Sabemos que cerca de 5% do peso total do Universo é constituído por partículas bariónicas como os prótons e os nêutrons – as partículas que constituem os átomos, ou seja, todas as “coisas” do Universo. (Os outros 95% incluem a energia escura e a matéria escura.) Mas os astrónomos conseguiram localizar apenas cerca de 2,5%, e não 5%, do total do Universo. “Contaram as estrelas, os buracos negros, as partículas brancas, os objectos exóticos, o gás atómico, o gás molecular das galáxias, o plasma quente, etc. Somaram tudo e acabaram por ficar, pelo menos, a um fator de dois do que deveria ter sido”, diz Xavier Prochaska, astrofísico da Universidade da Califórnia, em Santa Cruz, e especialista na análise da luz do Universo primitivo. “É embaraçoso. Não estamos a observar ativamente metade da matéria do Universo.”

Todos estes elementos em falta constituíam um problema sério para as simulações da formação das galáxias, da estrutura do nosso universo e do que acontece quando este continua a expandir-se.

Os astrónomos começaram a especular que a matéria em falta existia em nuvens extremamente difusas do chamado meio intergaláctico quente e quente, ou WHIM. Teoricamente, o WHIM conteria todo esse material não observado. Após a publicação do artigo de 1998, Prochaska comprometeu-se a encontrá-la.

Mas quase 10 anos da sua vida e cerca de 50 milhões de dólares em dinheiro dos contribuintes depois, a caça estava a correr muito mal.

Essa busca tinha-se concentrado em grande parte na separação da luz de núcleos galácticos distantes e no estudo das emissões de raios X de filamentos de gás que ligam galáxias. A descoberta veio em 2007, quando Prochaska estava sentado num sofá de uma sala de reuniões da Universidade da Califórnia, em Santa Cruz, a rever novos artigos de investigação com os seus colegas. Ali, no meio das pilhas de investigação, estava o artigo que relatava a descoberta da primeira FRB.

Duncan Lorimer e David Narkevic, astrónomos da Universidade da Virgínia Ocidental, tinham descoberto uma gravação de uma onda de rádio energética diferente de tudo o que tinha sido observado anteriormente. A onda durou menos de cinco milissegundos e as suas linhas espectrais estavam muito manchadas e distorcidas, características invulgares para um impulso de rádio que era também mais brilhante e mais energético do que outros fenómenos transitórios conhecidos. Os investigadores concluíram que a onda não podia ter vindo do interior da nossa galáxia, o que significa que tinha viajado uma distância desconhecida através do Universo.

Este era um sinal que tinha atravessado longas distâncias no espaço, tinha sido moldado e afetado por electrões ao longo do caminho e tinha energia suficiente para ser claramente detetável, apesar de tudo o que tinha atravessado. Não há outros sinais que possamos detetar atualmente, que ocorram habitualmente em todo o Universo e que tenham este conjunto exato de características.

“Vi aquilo e disse: ‘Caramba, é assim que podemos resolver o problema dos bariões em falta'”, diz Prochaska. Os astrónomos tinham utilizado uma técnica semelhante com a luz dos pulsares – estrelas de neutrões giratórias que emitem radiação dos seus pólos – para contar os electrões na Via Láctea. Mas os pulsares são demasiado fracos para iluminarem uma parte maior do Universo. As FRBs eram milhares de vezes mais brilhantes, oferecendo uma forma de usar essa técnica para estudar o espaço muito para além da nossa galáxia.

Uma visualização da teia cósmica, a estrutura em grande escala do universo. Cada nó brilhante é uma galáxia inteira, enquanto os filamentos roxos mostram o material entre elas.
Esta visualização da estrutura em grande escala do Universo mostra galáxias (nós brilhantes) e os filamentos de material entre elas.
NASA/NCSA UNIVERSIDADE DE ILLINOIS VISUALIZAÇÃO POR FRANK SUMMERS, INSTITUTO DE CIÊNCIA DO TELESCÓPIO ESPACIAL, SIMULAÇÃO POR MARTIN WHITE E LARS HERNQUIST, UNIVERSIDADE DE HARVARD

Mas há um senão: para que uma FRB seja um indicador do que existe no espaço aparentemente vazio entre as galáxias, os investigadores têm de saber de onde vem. Se não se sabe a distância que a FRB percorreu, não se pode fazer uma estimativa definitiva do aspeto do espaço entre o seu ponto de origem e a Terra.

Os astrónomos nem sequer conseguiram indicar a direção de onde veio a primeira FRB de 2007, quanto mais calcular a distância que percorreu. Foi detectada por um enorme radiotelescópio de prato único no Observatório de Parkes (agora chamado Murriyang), em Nova Gales do Sul, que é ótimo a captar ondas de rádio, mas só consegue identificar FRBs numa área do céu tão grande como a lua cheia da Terra. Durante a década seguinte, os telescópios continuaram a identificar FRBs sem fornecer uma origem exacta, tornando-as um mistério fascinante mas sem utilidade prática.

Então, em 2015, uma onda de rádio em particular brilhou – e depois voltou a brilhar. Ao longo de dois meses de observação a partir do telescópio de Arecibo, em Porto Rico, as ondas de rádio surgiram repetidamente, piscando 10 vezes. Esta foi a primeira explosão repetida de FRBs alguma vez observada (um mistério por si só), e agora os investigadores tinham a oportunidade de determinar onde as ondas de rádio tinham começado, aproveitando a oportunidade para se concentrarem na sua localização.

Em 2017, foi isso que aconteceu. Os investigadores obtiveram uma posição exacta para a explosão rápida de rádio utilizando o telescópio NRAO Very Large Array no centro do Novo México. Munidos dessa posição, os investigadores utilizaram então o telescópio ótico Gemini, no Havai, para tirar uma fotografia do local, revelando a galáxia onde a FRB tinha começado e a distância que tinha percorrido. “Foi nessa altura que se tornou claro que, pelo menos para algumas delas, conseguiríamos saber a distância. Foi nessa altura que me envolvi a sério e comecei a escrever propostas de telescópios”, diz Prochaska.

Nesse mesmo ano, astrónomos de todo o mundo reuniram-se em Aspen, Colorado, para discutir o potencial de estudo das FRBs. Os investigadores debateram o que as causava. Estrelas de neutrões? Magnetares, estrelas de neutrões com campos magnéticos tão poderosos que emitem raios X e raios gama? Fusão de galáxias? Extraterrestres? Será que as FRBs que se repetem e as que não se repetem têm origens diferentes, ou haverá outra explicação para o facto de algumas explosões se repetirem e a maioria não? Será que isso importava, uma vez que todas as explosões podiam ser usadas como sondas, independentemente da sua causa? Nessa reunião de Aspen, Prochaska encontrou-se com uma equipa de radioastrónomos sediada na Austrália, incluindo Keith Bannister, um perito em telescópios envolvido nos primeiros trabalhos de construção de uma instalação precursora do Square Kilometer Array, uma colaboração internacional para construir os maiores conjuntos de radiotelescópios do mundo.

A construção desse telescópio precursor, chamado ASKAP, ainda estava a decorrer durante essa reunião. Mas Bannister, um perito em telescópios da agência de investigação científica do governo australiano, a CSIRO, acreditava que este poderia ser requisitado e adaptado para localizar e observar simultaneamente FRBs.

Bannister e os outros especialistas em rádio afiliados ao ASKAP sabiam como manipular os radiotelescópios para as exigências únicas da caça às FRBs; Prochaska era um especialista em tudo o que “não era rádio”. Concordaram em trabalhar em conjunto para identificar e localizar FRBs únicas (porque há muito mais FRBs do que FRBs repetidas) e depois usar os dados para resolver o problema dos barions em falta.

E ao longo dos cinco anos seguintes, foi exatamente isso que fizeram – com um sucesso espantoso.

Construir uma conduta

Para localizar uma explosão no céu, é necessário um telescópio com duas coisas que tradicionalmente têm estado em desacordo na radioastronomia: um campo de visão muito grande e alta resolução. O grande campo de visão dá-lhe a maior hipótese possível de detetar uma explosão fugaz e imprevisível. A alta resolução permite-lhe determinar onde se situa efetivamente essa explosão no seu campo de visão.

O ASKAP era o candidato perfeito para o trabalho. Localizado na parte mais ocidental do interior da Austrália, onde o gado e as ovelhas pastam em terras públicas e as pessoas são poucas e distantes, o telescópio é composto por 36 antenas, cada uma com um grande campo de visão. Estas antenas estão separadas por grandes distâncias, permitindo que as observações sejam combinadas através de uma técnica chamada interferometria, de modo a que um pequeno pedaço do céu possa ser visto com grande precisão.

As antenas ainda não estavam a ser utilizadas formalmente, mas Bannister teve uma ideia. Pegou nelas e montou um telescópio “olho de mosca”, apontando as antenas para diferentes partes do céu, de modo a maximizar a sua capacidade de detetar algo que pudesse brilhar em qualquer lugar.

“De repente, parecia que estávamos a viver no paraíso”, diz Bannister. “Nesta altura, só tinha havido três ou quatro detecções de FRB, e as pessoas não tinham a certeza absoluta se [FRBs] eram reais ou não, e nós estávamos a encontrá-las de duas em duas semanas.”

Quando o interferómetro do ASKAP ficou online em setembro de 2018, começou o verdadeiro trabalho. Bannister concebeu uma peça de software que compara a uma repetição em direto do evento FRB. “Esta coisa aparece e bate no seu telescópio e desaparece, e tem um milissegundo para obter o seu número de telefone”, diz ele. Para isso, o software detecta a presença de um FRB num centésimo de segundo e depois vai a montante para criar uma gravação dos dados do telescópio antes que o sistema os substitua. Os dados de todas as antenas podem ser processados e combinados para reconstruir uma vista do céu e encontrar um ponto de origem exato.

A equipa pode então enviar as coordenadas para os telescópios ópticos, que podem tirar fotografias detalhadas do local para confirmar a presença de uma galáxia – o provável ponto de origem da FRB.

Estas duas antenas fazem parte do telescópio Australian Square Kilometre Array Pathfinder (ASKAP) da CSIRO.

A equipa de Ryder utilizou dados sobre o espetro da galáxia, recolhidos pelo Observatório Europeu do Sul, para medir o quanto a sua luz se esticou enquanto atravessava o espaço para chegar aos nossos telescópios. Este “desvio para o vermelho” torna-se um indicador da distância, permitindo aos astrónomos estimar a quantidade de espaço que a luz da FRB atravessou.

Em 2018, a repetição da ação ao vivo funcionou pela primeira vez, tornando Bannister, Ryder, Prochaska e o resto da sua equipa de investigação os primeiros a localizar uma FRB que não se repetia. No ano seguinte, a equipa já tinha localizado cerca de cinco. Em 2020, publicaram um artigo na Nature declarando que as FRBs lhes tinham permitido contar os bariões em falta no Universo.

A peça central do argumento do artigo era algo chamado medida de dispersão – um número que reflecte o quanto a luz de um FRB foi espalhada por todos os electrões livres ao longo da nossa linha de visão. Em geral, quanto mais longe uma FRB viaja, maior deve ser a medida de dispersão. Munidos tanto da distância percorrida (o desvio para o vermelho) como da medida de dispersão para um certo número de FRB, os investigadores descobriram que podiam extrapolar a densidade total de partículas no Universo. J-P Macquart, o autor principal do artigo, acredita que a relação entre a medida de dispersão e a distância das FRBs é previsível e pode ser aplicada para mapear o Universo.

Como líder na área e peça-chave no avanço da investigação sobre FRB, Macquart teria sido entrevistado para este artigo. Mas ele morreu de ataque cardíaco uma semana após a publicação do artigo, aos 45 anos de idade. Os investigadores de FRBs começaram a chamar à relação entre dispersão e distância a “relação Macquart”, em honra da sua memória e do seu impulso para a ideia inovadora de que as FRBs podiam ser usadas em cosmologia.

Provar que a relação de Macquart se manteria a distâncias maiores tornou-se não só uma missão científica, mas também emocional.

“Lembro-me de pensar que sei algo sobre o universo que mais ninguém sabe”.

Os investigadores sabiam que o telescópio ASKAP era capaz de detetar explosões de muito longe – só precisavam de encontrar uma. Sempre que o telescópio detectava uma FRB, Ryder era encarregado de ajudar a determinar a sua origem. Demorou muito mais tempo do que ele gostaria. Mas numa manhã de julho de 2022, após muitos meses de frustração, Ryder descarregou o mais recente e-mail de dados do Observatório Europeu do Sul e começou a percorrer os dados do espetro. Percorrendo, percorrendo, percorrendo – e então lá estava ela: luz de há 8 mil milhões de anos, ou um desvio para o vermelho de um, simbolizado por duas linhas muito próximas e brilhantes no ecrã do computador, mostrando as emissões ópticas do oxigénio. “Lembro-me de pensar que sei alguma coisa sobre o universo que mais ninguém sabe”, diz ele. “Queria saltar para um Slack e contar a toda a gente, mas depois pensei: Não, senta-te aqui e diverte-te com isto. Foi preciso muito para chegar a este ponto”.

Com o artigo da Science de outubro de 2023, a equipa tinha basicamente duplicado a distância de referência para a relação Macquart, honrando a memória de Macquart da melhor forma que sabiam. O salto na distância foi significativo porque Ryder e os outros membros da sua equipa queriam confirmar que o seu trabalho seria válido mesmo para FRBs cuja luz vem de tão longe que reflecte um universo muito mais jovem. Também queriam estabelecer que era possível encontrar FRBs neste redshift, porque os astrónomos precisam de recolher provas sobre muitas mais como esta para criar o mapa cosmológico que motiva tanta investigação sobre FRBs.

“É encorajador o facto de a relação de Macquart ainda parecer manter-se e de ainda podermos ver explosões rápidas de rádio a estas distâncias”, disse Ryder. “Presumimos que há muitas mais por aí”.

Mapeamento da teia cósmica

O material em falta que se encontra entre as galáxias, que deveria conter a maior parte da matéria do Universo, é frequentemente designado por teia cósmica. Os gases difusos não estão a flutuar como nuvens aleatórias; estão mais ligados como uma teia de aranha, uma complexa tecelagem de filamentos delicados que se estende à medida que as galáxias nos seus nós crescem e se deslocam. É provável que este gás tenha escapado das galáxias para o espaço exterior quando estas se formaram, empurrado para o exterior por explosões maciças.

“Não compreendemos como o gás é empurrado para dentro e para fora das galáxias. É fundamental para compreender como as galáxias se formam e evoluem”, diz Kiyoshi Masui, diretor do Laboratório de Rádio Sinóptico do MIT. “Nós só existimos porque existem estrelas e, no entanto, este processo de construção dos blocos de construção do Universo é mal compreendido… A nossa capacidade de modelar esse processo é o grande buraco na nossa compreensão de como o Universo funciona.”

Os astrónomos estão também a trabalhar na construção de mapas de galáxias em grande escala para medir com precisão a expansão do Universo. Mas a modelação cosmológica em curso com FRBs deverá criar uma imagem de gases invisíveis entre galáxias, que atualmente não existe. Para construir um mapa tridimensional desta teia cósmica, os astrónomos vão precisar de dados precisos sobre milhares de FRBs de regiões próximas da Terra e de regiões muito distantes, como a FRB no desvio para o vermelho um. “Em última análise, as explosões rápidas de rádio dar-nos-ão uma imagem muito detalhada da forma como o gás é empurrado”, diz Masui. “Para chegar aos dados cosmológicos, as amostras têm de ser maiores, mas não muito maiores”.

É essa a tarefa de Masui, que lidera uma equipa que procura FRBs muito mais próximas da nossa galáxia do que as encontradas pela colaboração liderada pela Austrália. A equipa de Masui conduz a investigação de FRBs com o telescópio CHIME na Colúmbia Britânica, um radiotelescópio não tradicional com um campo de visão muito amplo e reflectores de focagem que se assemelham a meios tubos em vez de pratos. O CHIME (abreviatura de “Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment)” não tem partes móveis e depende menos dos espelhos do que um telescópio tradicional (focando a luz apenas numa direção em vez de duas), utilizando técnicas digitais para processar os seus dados. O CHIME pode utilizar a sua tecnologia digital para focar muitos sítios ao mesmo tempo, criando um campo de visão de 200 graus quadrados, em comparação com os 30 graus do ASKAP. Masui comparou-o a um espelho que pode ser focado em milhares de locais diferentes em simultâneo.

Devido a este enorme campo de visão, o CHIME tem conseguido recolher dados sobre milhares de explosões que se encontram mais perto da Via Láctea. Embora o CHIME ainda não consiga localizar com precisão a sua origem da mesma forma que o ASKAP (o telescópio é muito mais compacto, proporcionando uma resolução mais baixa), Masui está a liderar o esforço para mudar isso, construindo três versões mais pequenas do mesmo telescópio na Colúmbia Britânica, em Green Bank, na Virgínia Ocidental, e no Norte da Califórnia. Os dados adicionais fornecidos por estes telescópios, o primeiro dos quais será provavelmente recolhido este ano, podem ser combinados com os dados do telescópio CHIME original para produzir informação de localização cerca de 1000 vezes mais precisa. Este pormenor deverá ser suficiente para a cartografia cosmológica.

Os reflectores da Experiência Canadiana de Mapeamento da Intensidade do Hidrogénio, ou CHIME, foram utilizados para detetar milhares de FRBs. ANDRE RECNIK/CHIME

A tecnologia dos telescópios está a melhorar tão rapidamente que a tentativa de reunir amostras suficientes de FRB de diferentes partes do universo para um mapa cosmológico poderá estar concluída nos próximos 10 anos. Para além do CHIME, o radiotelescópio BURSTT, em Taiwan, deverá entrar em funcionamento este ano; o telescópio CHORD, no Canadá, concebido para ultrapassar o CHIME, deverá começar a funcionar em 2025; e o Deep Synoptic Array, na Califórnia, poderá transformar o campo da radioastronomia quando estiver concluído, o que se espera que aconteça algures no final da década.

E no ASKAP, Bannister está a construir uma nova ferramenta que quintuplicará a sensibilidade do telescópio, a partir deste ano. Se conseguirmos imaginar um milhão de pessoas a verem simultaneamente vídeos do YouTube sem compressão numa caixa do tamanho de um frigorífico, essa é provavelmente a forma mais fácil de visualizar as capacidades de tratamento de dados deste novo processador, chamado “field-programmable gate array”, que Bannister está quase a terminar de programar. Bannister espera que o novo dispositivo permita à equipa detetar um novo FRB por dia.

Com todos os telescópios em competição, diz Bannister, “dentro de cinco ou dez anos, serão detectadas 1000 novas FRBs antes de se poder escrever um artigo sobre a que se acabou de encontrar… Estamos numa corrida para as tornar aborrecidas”.

Prochaska está tão confiante que as FRBs nos darão finalmente o mapa cosmológico para o qual tem trabalhado toda a sua vida que começou a estudar oceanografia. Quando os astrónomos tiverem medido as distâncias de 1000 explosões, Prochaska planeia abandonar completamente o trabalho.

“Numa década, poderemos ter um mapa cosmológico bastante decente e muito preciso”, diz. “É para isso que servem as 1.000 FRBs – e eu devia ser despedido se não as tivermos.”

Ao contrário da maioria dos cientistas, Prochaska consegue definir o objetivo final. Ele sabe que todas essas FRBs devem permitir aos astrónomos traçar um mapa dos gases invisíveis no universo, criando uma imagem da evolução das galáxias à medida que os gases se movem para fora e depois voltam a cair para dentro. As FRBs dar-nos-ão uma compreensão da forma do Universo que não temos atualmente – mesmo que o mistério sobre o que as origina se mantenha.

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