O universo primitivo e suas galáxias permanecem como um reino misterioso oculto atrás do véu do tempo. A luz que consegue escapar desse véu e chegar aos nossos olhos telescópicos é tênue, imprecisa e esticada para o vermelho quase além do reconhecimento.
Com o advento do poderoso telescopes James Webb, conseguimos decifrar melhor parte dessa luz após sua bilionária jornada fotônica, mas as observações do JWST nos deram pouco mais que um fascinante vislumbre dos acontecimentos no universo primordial.
Cientistas anseiam por mais, e pesquisadores de várias instituições colaboraram em uma nova ferramenta que poderia satisfazer seu desejo. Ela é chamada de Tomographic Ionized-carbon Mapping Experiment, ou TIME.
TIME está montada em um rádio telescópio de 12 metros no Observatório Kitt Peak, no Arizona. A técnica utilizada é a line-intensity mapping, que reúne a luz de muitas galáxias de uma vez quando as galáxias individuais são demasiado fracas para serem resolvidas.
A técnica foca em uma única linha espectral de emissão de múltiplas galáxias, e essas observações ajudarão astrônomos a entender como a estrutura cosmológica muda ao longo do tempo.
TIME começou sua corrida de comissionamento em 2021-22, e os pesquisadores divulgaram os primeiros resultados, publicados no The Astrophysical Journal, com Selina Yang, aluna de doutorado do Departamento de Física da Universidade Cornell, como principal autora.
TIME está direcionada para um dos episódios mais críticos da história cósmica: a Época de Reionização. Foi um breve período quando as primeiras estrelas e galáxias do universo ionizaram o meio interestelar, uma mudança de fase major do hidrogênio, quando ele passou de neutro para ionizado.
Essa transformação alterou o universo de opaco para translúcido, permitindo que a luz pudesse viajar através do cosmos. As linhas de emissão de monóxido de carbono são uma janela para a Época de Reionização, e TIME cria mapas das linhas de emissão rotacional de 12CO(2-1) e 13CO(2-1).
O monóxido de carbono é a segunda molécula mais abundante no universo após o hidrogênio molecular, permitindo que TIME mapeie a distribuição do gás hidrogênio e a formação estelar ao longo do tempo no universo primordial.
Em vez de tentar isolar cada pequena galáxia, a ferramenta mede o brilho combinado de enormes números de galáxias de uma só vez, explicou Yang em comunicado à imprensa, usando a analogia de observar uma cidade de longe.
É menos como contar cada poste de luz individual e mais como medir o brilho geral de uma cidade inteira do espaço, comparou a pesquisadora. Abigail Crites, professora assistente de física na Cornell que desenvolveu o TIME por uma década, também é a pesquisadora principal do projeto.
Com o TIME, estamos tentando investigar a história cósmica em uma gama de tempos, disse Crites. Com um telescópio comum, você sabe onde está um objeto ou, no máximo, mapeia uma pequena porção do céu e vê algumas galáxias muito brilhantes.
Com o TIME, sabemos que as galáxias devem estar ali, e sabemos que devem ter algum brilho, explicou. Você apenas vê uma mancha borrada, mas isso é legal porque você está recebendo todos esses fótons, mesmo que não os identifique como esta ou aquela galáxia.
Os primeiros resultados preliminares do TIME são de observações de Sagitário A (Sgr A). Os pesquisadores apresentaram o processamento de uma observação de Sagitário A com o TIME, parte da corrida de comissionamento de 2021-2022, para verificar as capacidades de hiperssorvamento do instrumento.
Como o TIME ainda está em fase de comissionamento, isso foi mais um teste do qualquer outra coisa. Os pesquisadores queriam medir o gás em Sgr A e comparar esses resultados com medições de outras ferramentas e métodos.
Todo tipo de molécula é diferente, e mesmo sem discernir galáxias individuais, o TIME pode medir a abundância de cada tipo por sua natureza única. Os pesquisadores explicam que é como ler um código de barras em um produto.
Mesmo que o mapeamento de intensidade de linha esteja coletando luz mesclada de milhões de galáxias distantes de uma vez, ainda podemos olhar para o espectro dessa luz, identificar esses códigos de barras distintos e traduzi-los em uma estimativa de quanto de cada molécula ou átomo está presente e onde está concentrado no universo, explicou Yang.
Isso se torna importante para estudar a formação estelar precoce porque algumas dessas moléculas estão intimamente ligadas aos ambientes onde as estrelas nascem. Com Sagitário A, estamos apontando o instrumento para o centro de nossa galáxia, disse o coautor Dongwoo Chung, professor assistente de astronomia na Cornell.
Para garantir que possamos entender observações de gás molecular em deslocamento vermelho dois [luz que começou a viajar em direção à Terra há 2,5 bilhões de anos], precisamos garantir que podemos medir corretamente o gás molecular em deslocamento vermelho zero, explicou.
As observações do TIME focaram em três regiões próximas ao núcleo galáctico da Via Láctea: o Disco Circunuclear (CND) e um par de nuvens de gás. Essas nuvens servem como bons substitutos para galáxias de explosão estelar precoce.
As nuvens moleculares imediatamente ao redor de Sgr A são algumas das mais densas e emissivas no regime submilimétrico, e a natureza altamente ativa da Zona Molecular Central (CMZ) permite estudos locais de formação estelar e processos de feedback em núcleos galácticos.
Observar o complexo Sgr A com o TIME nos permite mapear a emissão da linha de CO e a emissão contínua de poeira através da região, e também cruzar nossas análises de contínuo de banda larga e espectral contra o considerável corpo de trabalho anterior sobre a CMZ, explicam os autores.
Este mapa local de intensidade de linha é, portanto, um passo crucial em direção ao mapeamento extragaláctico de intensidade de linha que pretendemos fazer com o TIME, segundo os pesquisadores. Os autores estão satisfeitos com as primeiras observações de comissionamento do TIME.
Nossa análise demonstra que o TIME pode adquirir e processar mapas espectrais de milímetro de banda larga de regiões astrofísicas complexas, mesmo sob as condições de alto ruído das primeiras corridas de engenharia e baixas elevações, escreveram.
Embora o TIME meça monóxido de carbono, os resultados na verdade dizem a eles sobre o hidrogênio formador de estrelas. Os resultados do TIME se comparam bem com observações anteriores por outros meios, que é o propósito dessas observações de teste.
Podemos derivar estimativas de massa de hidrogênio molecular usando mapas do fluxo de linha de 12CO e 13CO, com resultados caindo bem dentro da faixa esperada relatada na literatura, explicam os autores.
Esses resultados apoiam o amadurecimento do mapeamento de intensidade de linha, que enfrentou ceticismo em seus primeiros dias. Muito desse ceticismo dizia respeito à contaminação do primeiro plano. Desde que o sinal de galáxias primordiais é tão fraco, alguns apontaram que emissões mais brilhantes de fontes do primeiro plano, incluindo nossa própria galáxia, seriam um obstáculo impossível de superar.
Estes resultados demonstram a capacidade do TIME de recuperar tanto sinais contínuos quanto de linha espectral em campos galácticos complexos, validando sua prontidão para futuras pesquisas extragalácticas de CO e [C ii], conforme revelou uma pesquisa publicada no The Astrophysical Journal.
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