Mapeando o Céu Radio: Uma Nova Abordagem

Construir um mapa do céu de rádio é super importante, especialmente quando a gente quer detectar o sinal da linha de emissão de 21 cm da época em que o universo era bem novinho, conhecida como a Época da Reionização (EoR). Esse mapa ajuda os cientistas em várias áreas da pesquisa espacial. Pra criar esse mapa, usamos dados de um survey de rádio chamado LOFAR Two-meter Sky Survey (LoTSS) a 150 MHz. Com esses dados, conseguimos entender quão brilhantes são diferentes fontes de rádio, incluindo vários tipos de galáxias de rádio e Núcleos Galácticos Ativos.

Nós atualizamos um programa de computador chamado Tiered Radio Extragalactic Continuum Simulation (T-RECS) pra fazer catálogos de fontes de rádio simuladas melhores. As contagens de fontes falsas do nosso trabalho atualizado combinaram melhor com o que realmente vemos no céu, especialmente pra galáxias distantes. Também notamos que nosso modelo previu um número menor de fontes fracas do que o T-RECS, o que pode ser útil pra estudar sinais na faixa de baixa frequência do espectro de rádio.

Quando falamos dos mapas de intensidade da linha de emissão de 21 cm em redshift por volta de 6 e pra mais longe, eles oferecem uma forma única de olhar pro que tava rolando no universo durante a Época da Reionização. Porém, rola um problemão porque os sinais que queremos detectar se misturam com ondas de rádio de fundo indesejadas, que vêm da nossa própria Via Láctea e de outras fontes que não são exatamente o que a gente tá procurando.

Essas fontes indesejadas podem ser classificadas em duas categorias principais: Núcleos Galácticos Ativos (AGNs) e Galáxias em Formação Estelar (SFGs). Fontes não-AGN criam ondas de rádio por causa de explosões de supernovas ou nuvens de gás. AGNs, por outro lado, tão comendo gás e, enquanto fazem isso, também soltam ondas de rádio. AGNs podem ser barulhentos ou tímidos, e a gente os chama de tipos rádio-barulhentos (RL) e rádio-calmos (RQ).

Os AGNs rádio-barulhentos produzem a maior parte dos seus sinais de rádio através de jatos poderosos de partículas. Dependendo de como eles se parecem e seus comportamentos, podemos dividi-los em Galáxias de rádio de alta excitação (HERGs) e Galáxias de Rádio de Baixa Excitação (LERGs). Já pra os AGNs rádio-calmos, a origem dos seus sinais de rádio ainda não tá bem clara.

Simular o céu de rádio é uma ferramenta útil pros astrônomos. Por exemplo, ajuda eles a entenderem quão completos estão seus surveys de rádio e prever que tipo de fontes de rádio podem ver em surveys futuros. Em termos de pesquisa de reionização, isso permite estimar o ruído de fundo que pode atrapalhar o sinal de 21 cm que eles querem estudar.

O modelo T-RECS é feito pra simular os dois principais tipos de galáxias de rádio: AGNs e SFGs. Ele leva em conta coisas como quão brilhantes são as galáxias a diferentes distâncias e suas propriedades de agrupamento. Porém, como o T-RECS pega os dados principalmente de frequências mais altas, isso pode causar algumas lacunas ao tentar entender o que tá rolando em frequências mais baixas.

Nos últimos anos, surgiram um monte de novos surveys de rádio de baixa frequência, que nos deram mais informações do que nunca. Um dos surveys mais extensos foi feito pelo LOFAR, que identificou cerca de 80.000 fontes de rádio e as categorizou em HERGs, LERGs, RQ-AGNs e SFGs.

Comparado ao T-RECS, o novo catálogo oferece mais variedade ao incluir os RQ-AGNs e fontes extras a distâncias maiores. Isso ajuda a eliminar discrepâncias que a gente viu a essas grandes distâncias.

O Square Kilometre Array (SKA) tá sendo construído e vai fornecer observações ainda melhores em astronomia de rádio. Isso significa que precisamos acertar nossas simulações pra nos preparar pro que o SKA vai detectar e como lidar com os desafios de captar o sinal da EoR.

Neste trabalho, apresentamos uma nova perspectiva sobre como classificar fontes de rádio e seus modelos de evolução. Vamos dividir em seções, começando com como escolhemos nossos dados, seguindo pros nossos modelos de AGNs e SFGs, e uma comparação dos nossos resultados com o que já foi observado.

Como as ondas de rádio não se importam com poeira, usar surveys de rádio profundos nos dá uma visão clara de galáxias e AGNs. Baseado no survey profundo de 150 MHz do LOFAR em três regiões do céu, que consumiu muito tempo de telescópio, criamos um catálogo de 81.951 fontes. Em seguida, classificamos essas fontes em diferentes categorias com base em seus níveis de brilho e características.

Para as fontes com ondas de rádio baixas, descobrimos se eram SFGs ou RQ-AGNs com base em seus espectros de rádio. As fontes com fluxo de rádio alto foram divididas em LERGs e HERGs. Fizemos isso comparando resultados de vários códigos projetados pra descobrir como a energia se espalha por diferentes comprimentos de onda pra cada fonte. Isso nos ajudou a atribuir taxas de formação estelar e massas de forma eficaz.

As fontes de rádio são principalmente compostas por AGNs e SFGs, tornando nosso novo catálogo perfeito pra simular as fontes de fundo pro sinal de 21 cm. Pra refinar nossa seleção, buscamos fontes dentro de intervalos de redshift específicos e um limite de densidade de fluxo que pudéssemos confiar. Isso nos ajudou a identificar um total de fontes enquanto filtrávamos as que não atendiam aos nossos critérios.

A seguir, descrevemos nossos modelos pra entender as funções de luminosidade. Essas funções descrevem quão brilhantes são os diferentes tipos de galáxias de rádio e como essa luminosidade muda ao longo do tempo. Ajustamos essas funções com base no que aprendemos com nossos dados de catálogo, usando um método conhecido como Cadeia de Markov de Monte Carlo pra obter uma faixa de probabilidades pra essas medições.

Definimos nossas funções de luminosidade pra HERGs e LERGs com base em como suas características mudam com o redshift. Isso incluiu atualizar valores pra representar como essas funções evoluíram ao longo do tempo.

Os RQ-AGNs mostram sinais de atividade em várias comprimentos de onda, mas não têm os jatos de rádio fortes típicos dos tipos rádio-barulhentos. As exatas fontes das suas emissões de rádio ainda estão em debate. No entanto, parece que tanto a formação estelar quanto um núcleo central podem desempenhar um papel na produção de emissões de rádio.

Também estimamos a taxa de formação estelar para todas as fontes. Para RQ-AGNs e SFGs, usamos uma relação entre sua luminosidade de rádio e a taxa de formação estelar. Para HERGs e LERGs, indicamos um excesso de rádio extra que consideramos ao calcular a taxa de formação estelar total.

Outro aspecto que analisamos é o índice espectral, que descreve como a frequência das ondas de rádio se relaciona entre si. Descobrimos que as distribuições de índice espectral tanto pra AGNs quanto pra SFGs tinham padrões consistentes, que usamos pra calcular os índices espectrais das nossas fontes.

Resumindo os achados do nosso modelo, comparamos rigorosamente nossas previsões com observações existentes e outras simulações pra justificar nosso trabalho. Focamos em quão perto nossos resultados estavam das fontes reais que esperamos ver no céu.

Em essência, nossas simulações e modelos nos trouxeram mais perto de entender a mistura de fontes de rádio no universo. Descobrimos que nossos métodos oferecem um acordo melhor com dados reais, o que pode ajudar em futuros estudos do céu de rádio.

Nós até disponibilizamos nosso código modificado do T-RECS pra outros na comunidade de pesquisa. Isso significa que à medida que exploramos mais do céu de fontes de rádio de baixa frequência, estamos fornecendo ferramentas pra que outros se juntem à caçada.

Com um pouco de humor, correr pelo universo enquanto observamos todos esses sinais de rádio fascinantes parece uma tentativa de pegar borboletas com uma rede feita de espaguete- é desafiador, mas super recompensador quando você finalmente consegue pegar algumas!