Ilustração conceptual de antenas de rádio sob uma representação colorida do cosmos.

Ilustração conceptual gerada por IA para o Portugal Binário.

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MeerKAT mede sinal do hidrogénio em grande escala no Universo

Uma equipa internacional utilizou o radiotelescópio MeerKAT, na África do Sul, para medir diretamente um sinal estatístico do hidrogénio neutro em grandes escalas cosmológicas. O resultado mostra como a emissão de rádio pode revelar a distribuição coletiva deste gás, mesmo quando as galáxias que o contêm não são identificadas uma a uma.

O trabalho da colaboração MeerKLASS, que inclui o investigador português José Fonseca, foi publicado em 3 de novembro na revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. A análise usa observações recolhidas em 2021 e constitui um teste para futuros levantamentos cosmológicos com o Observatório SKA. A medição não é uma imagem direta da matéria escura.

Um sinal fraco entre emissões mais fortes

O hidrogénio neutro emite ondas de rádio com um comprimento de onda característico de 21 centímetros. À medida que o Universo se expande, essa radiação chega a frequências mais baixas. A equipa estudou uma faixa de frequências correspondente a um desvio para o vermelho de cerca de 0,42, o que permite investigar a distribuição do gás num período anterior da história cósmica.

Em vez de procurar cada galáxia separadamente, o método chamado mapeamento de intensidade soma a emissão de muitas fontes e estuda como a intensidade varia de região para região. Essas variações contêm informação estatística sobre a estrutura em grande escala do Universo. A relação entre o gás e a matéria subjacente exige modelos; observar hidrogénio não equivale a observar diretamente a matéria escura.

Os investigadores analisaram uma região de cerca de 236 graus quadrados do céu, com as 64 antenas do MeerKAT a funcionar individualmente. Das cerca de 60 horas de observações, ficaram aproximadamente 40 depois de assinaladas as interferências de rádio, segundo o manuscrito da equipa.

Separar o sinal do ruído

A emissão cosmológica é muito mais fraca do que outras fontes de rádio. Para a isolar, a equipa dividiu os dados em conjuntos independentes, tratou-os separadamente e comparou os sinais comuns entre eles. Este procedimento ajuda a reduzir o ruído instrumental que difere entre conjuntos sem exigir, para a deteção principal, um catálogo externo de galáxias.

O resultado foi expresso através de um espectro de potência: uma medida estatística da intensidade das variações a diferentes escalas. Os autores indicam uma razão sinal/ruído de 6,2 para a medição no intervalo de escalas estudado e descrevem testes para avaliar a robustez do resultado.

Há limitações. Os espectros de conjuntos individuais apresentaram excesso de potência que os autores associam a efeitos sistemáticos ainda não resolvidos. A equipa teve também de considerar a possibilidade de o processamento remover parte do próprio sinal cosmológico. O resultado diz respeito à análise e às escalas descritas no estudo, e não elimina estas fontes de incerteza em futuras observações.

Preparar os próximos mapas

O MeerKAT é um precursor do SKA, projeto internacional que pretende construir radiotelescópios de grande sensibilidade. A experiência sugere que o mapeamento de intensidade pode ser uma ferramenta útil para estudar a distribuição de hidrogénio em levantamentos futuros, desde que as emissões contaminantes e os efeitos instrumentais continuem a ser controlados.

O avanço está na medição estatística feita com os mapas de rádio e nos testes que a sustentam, abrindo caminho a levantamentos mais extensos.

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