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BINGO: como o radiotelescópio brasileiro ajudará a desvendar a matéria escura

O radiotelescópio brasileiro BINGO Baryon Acoustic Oscillations in Neutral Gas), em construção no sertão Paraibano, é projetado para pesquisas nas áreas de astrofísica e cosmologia, principalmente na investigação sobre as oscilações acústicas bariônicas (ou BAOs), relíquias da época em que matéria e radiação foram acopladas. Será o primeiro telescópio projetado especificamente para detectar BAOs.

BAOs são ondas geradas pelas flutuações na densidade da matéria visível causadas por ondas de densidade no plasma do universo primordial. Essas ondas são úteis para medir a distribuição do hidrogênio neutro (atômico) em distâncias cosmológicas.

Liderado pela USP, o projeto está sendo construindo em Aguiar, município no sertão da Paraíba, e deve começar a operar no primeiro semestre de 2023.

Imagem panorâmica do radiotelescópio em construção (Imagem: Reprodução/BINGO)
Imagem panorâmica do radiotelescópio em construção (Imagem: Reprodução/BINGO)

Ele ajudará astrônomos a entender o funcionamento do setor escuro do universo (matéria escura e energia escura, cujas naturezas ainda são desconhecidas para a ciência). Além disso, espera-se que o BINGO possa detectar FRBs (rajadas rápidas de rádio) a uma taxa de uma a cada 4-5 dias.

A equipe do BINGO publicou sete artigos sobre o projeto na edição de agosto da revista científica Astronomy & Astrophysics. São eles:

  1. O Projeto BINGO I: Oscilações Acústicas Bariônicas de Observações Integradas de Gás Neutro

  2. The BINGO Project II. Descrição do instrumento

  3. O Projeto BINGO III: Projeto Óptico E Otimização Do Plano Focal

  4. O Projeto BINGO IV: Simulações Para Avaliação De Desempenho De Missão E Etapas Preliminares De Separação De Componentes

  5. O Projeto BINGO V: Etapas Adicionais em Separação de Componentes e Análise

  6. The BINGO Project VI. H I Distribuição De Ocupação De Halo E Construção Simulada

  7. Projeto BINGO VII: Previsões Cosmológicas De Mapeamento De Intensidade De 21 Cm

Técnicas do radiotelescópio BINGO

O BINGO usará a técnica de medições de mapeamento de intensidade (IM) para sondar grandes volumes do universo. Essa técnica é semelhante à medição da radiação cósmica de fundo (a luz “fóssil” emitida pouco após o Big Bang). Segundo a equipe, a IM será “adequada para medir oscilações acústicas bariônicas (BAOs) na era pós-reionização [do universo]”

Essas oscilações estão “impressas em grandes escalas cosmológicas”, e o BINGO deve tentar observar essas impressões. Como estamos falando de grandes escalas, o telescópio não estudará galáxias individuais, mas sim grandes aglomerados de galáxias, o que vai gerar uma combinação de “grandes volumes de informações evolutivas” sobre a região observada.

O BINGO também poderá detectar as misteriosas rajadas rápidas de rádio (Imagem: Reprodução/Graciele Almeida de Oliveira)
O BINGO também poderá detectar as misteriosas rajadas rápidas de rádio (Imagem: Reprodução/Graciele Almeida de Oliveira)

A medição das BAOs será na faixa de redshift entre z = 0,13 e z = 0,45. Esses números significam que os alvos não estarão muito distantes de nossa galáxia, embora estejam longes o suficiente para um pequeno desvio para o vermelho (quanto maior a distância, mais vermelha a luz do objeto; isso ocorre devido à expansão do universo que “estica” as ondas de luz).

Desse modo, o BINGO “colocará restrições complementares em muitos modelos cosmológicos e cosmologias alternativas”, escreveram os autores. Com a combinação desses dados com os resultados da sonda Planck (missão lançada em 2009 e já encerrada) “levará a um ganho de precisão dos parâmetros cosmológicos”.

Linha espectral do hidrogênio atômico

O BINGO detectará emissões de radiação com comprimento de onda de 21 cm — a linha espectral do hidrogênio atômico, ou HI. Este é o elemento mais simples conhecido, com átomos formados apenas por um próton e nenhum nêutron.

Com o mapeamento de intensidade das ondas de 21 cm com desvio para o vermelho, o telescópio possibilitará a criação de um mapa 3D da distribuição de hidrogênio neutro em todo o universo.

Embora esse sinal de 21 cm seja obscurecido pela emissão de nossa própria galáxia, que está em primeiro plano em relação aos alvos, a equipe do BINGO desenvolveu técnicas para separar esses sinais e ruídos indesejáveis. Nos artigos publicados, eles demonstraram que a configuração do telescópio e as simulações estão adequadas para essa tarefa.

Entrevista com o coordenador do projeto BINGO

Design de uma das cornetas do radiotelescópio (Imagem: Reprodução/BINGO)
Design de uma das cornetas do radiotelescópio (Imagem: Reprodução/BINGO)

O Canaltech conversou sobre os artigos publicados com o professor da USP e coordenador do BINGO, Dr Élcio Abdalla, que esclareceu alguns detalhes importantes.

Canaltech: Quais são os temas dos artigos?

Dr. Élcio Abdalla: Os artigos formam a pedra fundamental do projeto. No primeiro o projeto como um todo e suas implicações físicas são descritos. No segundo o projeto físico e no terceiro a maneira como a radiação é coletada, através da colocação exata dos espelhos, e o projeto ótico. No quarto discute-se a coleta dos dados crus, e no quinto como estes dados são tratados para separar os ruídos. No sexto os dados são gerados por distribuições geradas sinteticamente para se ter uma ideia do que se vai obter e no sétimo é feita uma análise prévia para se prever, em cada tipo de observação, qual teoria melhor se assenta aos dados, são as previsões iniciais.

CT: O artigo afirma que as BAOs são “relíquias congeladas da época em que matéria e radiação foram acopladas”. Pode nos explicar um pouco mais sobre essa época e o acoplamento?

EA: No início do Universo a radiação e a matéria estavam misturadas e interagiam, assim como a água de imensos reservatórios, como o mar, é submetida às forças gravitacionais e à viscosidade do fluido. Neste último caso formam-se as ondas do mar. No caso cosmológico formam-se também grandes ondas, e aquelas ondas são denominadas oscilações acústicas de bárions (BAO), pois os bárions são a matéria, e acústico é por analogia à interação que ocorre entre as várias partes da matéria que está nas ondas terrestres. As BAO são imensas, medem meio bilhão de anos-luz.

CT: Por que a escolha das linhas de H I? Como esse mapeamento de densidade ajudará a estudar o universo escuro?

EA: O Hidrogênio é o elemento visível mais comum no Universo, correspondendo, em número, a mais de 90% das partículas, ou 75% da massa visível. O Hidrogênio atômico emite uma linha de radiação típica muito distinta, a linha de 21 cm, diferente de todas as outras por seu comprimento típico, sendo portanto muito útil para mapear o Hidrogênio atômico, portanto o Hidrogênio, e portanto a matéria.

CT: O artigo n. 4 fala sobre as simulações. Pode nos contar como foram feitas essas simulações e o que elas demonstraram?

EA: Simulações são úteis para que possamos ter ideia do que vamos observar. Sem fazermos simulações, estamos completamente no escuro, e nossos projetos podem olhar em direções e questões irrelevantes ou fora de lugar. Com simulações, estamos fazendo um tipo de jogo treino, sem saber o que vamos realmente encontrar, mas com uma melhor ideia de como enfrentar dificuldades.

CT: Podemos esperar imagens dos aglomerados galácticos alvos do BINGO, como ocorre com outros radiotelescópios?

EA: Nossas imagens, de modo geral, deverão passar por vários processos de análise, mas podemos fazer imagens de algumas regiões do céu. As informações nem sempre são imagens do que vamos analisar, mas muitas vezes quantidades físicas úteis na análise da teoria que não necessariamente possuem uma imagem bidimensional.

CT: Quais serão os próximos passos antes da primeira luz do BINGO? A previsão para ela acontecer no final de 2022 ainda é realista neste final de agosto?

EA: A primeira luz não deve ocorrer neste ano em vista de atrasos na construção física. A parte teórica está pronta, mas a construção dependeu de outros atores, análise de solo, construção de estrada, envio de pagamentos (e portanto questões administrativas e jurídicas fora de nosso controle). Teremos as luzes cerca de seis a oito meses mais tarde, ou seja, em meados de 2023.

CT: O que a equipe espera da primeira luz do BINGO? E o que o público pode esperar?

EA: As informações de um radiotelescópio passam por um processo um tanto longo de observação e análise. No caso de BAO são ao menos dois anos de observações e vários meses de análise. Algo mais palpável é a observação dos FRB´s, Fast Radio Bursts, ou Rajadas Rápidas de Rádio. Estas podem ser observadas a qualquer instante. Esperamos várias destas ao longo de cada ano, dependendo dos modelos teóricos, que ainda são largamente desconhecidos. No entanto, alguns FRB´s por ano deverão ocorrer.

Fonte: Canaltech

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