Novo Instrumento para Estudar o Universo Primitivo

O Espectrômetro da Época da Reionização, ou EoR-Spec, é um novo instrumento que vai ajudar a gente a estudar o universo primitivo. Ele foca no tempo em que as primeiras estrelas e galáxias se formaram, conhecido como a Época da Reionização (EoR). Esse período rolou de um desvio vermelho de aproximadamente 3,5 a 8, ou seja, mais ou menos quando o universo tinha só algumas centenas de milhões de anos. O EoR-Spec pretende entender como esses primeiros objetos influenciaram a evolução do universo, medindo a luz emitida pelo carbono ionizado, especificamente a linha [CII] de 158 micrômetros.

Essa linha de emissão é essencial porque serve como um excelente marcador para a formação de estrelas. Quando as estrelas aquecem o gás neutro ao redor, a luz [CII] é produzida, e os pesquisadores conseguem detectar isso. O EoR-Spec vai ser acoplado à Prime-Cam, um receptor avançado para o Telescópio Submilimétrico Fred Young, que tá sendo construído no Deserto do Atacama, no Chile. O telescópio terá uma abertura grande de 6 metros e vai ajudar os cientistas a coletar mais dados sobre esse tempo antigo.

#Características do Instrumento

O EoR-Spec foi projetado com cerca de 6.500 Detectores de Indutância Cinética de Micro-ondas (MKIDs). Esses detectores medem a luz enquanto um sistema óptico especial ajuda a focar os sinais que chegam. O sistema óptico usa quatro lentes para captar a luz de forma eficaz, e tem um dispositivo chamado Interferômetro Fabry-Perot (FPI) que ajuda a separar a luz pela cor, ou comprimento de onda. O FPI vai focar em uma faixa de comprimentos de onda de 210 a 420 GHz, incluindo a linha de emissão chave para estudar o universo primitivo.

Esse instrumento vai observar áreas específicas do céu conhecidas como os campos E-COSMOS e E-CDFS durante um longo período, totalizando cerca de 4.000 horas ao longo de cinco anos. O objetivo final é coletar dados suficientes para ter uma imagem mais clara do que estava rolando durante a EoR.

#Importância da Época da Reionização

A formação das primeiras estrelas e galáxias levou a mudanças significativas no universo. Antes desse tempo, o universo era majoritariamente preenchido com hidrogênio neutro. À medida que as estrelas se formavam, elas emitiam radiação forte que gradualmente ionizava esse hidrogênio, criando um ambiente mais complexo. Pesquisas mostraram que essa mudança não foi uniforme; aconteceu em áreas específicas e estava relacionada a onde as estrelas estavam se formando.

Entender a EoR é crucial para os astrônomos. Isso ajuda a aprender sobre a expansão do universo e dá insights sobre a natureza da matéria escura. Analisando a fração de ionização ao longo do tempo, os cientistas esperam coletar informações valiosas que podem resolver tensões atuais na cosmologia.

#Mapeamento de Intensidade de Linha (LIM)

Tradicionalmente, os astrônomos enfrentaram dificuldades para mapear grandes áreas do universo e encontrar e estudar galáxias antigas por causa da luz fraca delas. A nova abordagem chamada Mapeamento de Intensidade de Linha (LIM) oferece uma solução. Em vez de olhar para galáxias individuais, o LIM mede a luz combinada de muitas galáxias de uma vez. Isso permite que os cientistas construam mapas tridimensionais de grandes volumes cósmicos de forma eficaz.

Nos últimos anos, o LIM tem ganhado popularidade com vários projetos como CHIME e TIME. Esses experimentos mostraram potencial para entender o cosmos de forma mais ampla.

#Mecanismos do EoR-Spec

O EoR-Spec é construído com três grandes matrizes de detectores, divididas em duas faixas de frequência. As duas matrizes focam em frequências mais baixas onde esperamos encontrar sinais mais brilhantes, enquanto a terceira matriz examina frequências mais altas. Todos esses detectores foram projetados para trabalhar juntos, usando um funil de alumínio especial que coleta e direciona os sinais que chegam para os MKIDs.

Uma das características empolgantes do EoR-Spec é seu avançado FPI, projetado para filtrar e medir os sinais que chegam com base em seu comprimento de onda. Isso vai permitir uma melhor precisão na determinação das características da luz emitida durante a EoR.

#Design Mecânico e Óptico

O módulo do instrumento EoR-Spec passou por várias iterações de design para otimizar seu desempenho. O design mecânico usa materiais que conseguem suportar temperaturas baixas, garantindo que os detectores funcionem de forma eficaz. Colocando os componentes críticos de maneira cuidadosamente arrumada, os pesquisadores maximizaram a coleta de luz enquanto minimizaram o calor indesejado.

A câmera usa lentes assimétricas em vez de lentes tradicionais para melhorar o desempenho óptico. Essas lentes são mais baratas de produzir e não precisam de alinhamento preciso. No final, essa escolha de design torna a montagem e a operação mais fáceis.

Para reduzir ainda mais a luz indesejada, que poderia interferir nas medições, medidas adicionais foram implementadas. As áreas ao redor do FPI são cobertas com absorvedores para capturar qualquer sinal indesejado. Essa atenção cuidadosa aos detalhes é necessária para garantir a precisão do instrumento.

#Progresso e Próximos Passos

Atualmente, a primeira matriz de detectores de baixa frequência está em fase de fabricação, com planos para mais matrizes no futuro. Testes iniciais mostraram resultados promissores, alcançando uma eficiência de 85% na detecção de sinais. Mais testes e calibrações continuarão para melhorar essa taxa conforme o projeto avança.

O design e a construção do EoR-Spec contam com o apoio de várias instituições e órgãos de financiamento, refletindo a colaboração entre organizações comprometidas em avançar nosso entendimento do cosmos.

Em resumo, o EoR-Spec é um instrumento sofisticado que vai permitir que os astrônomos mapeiem efetivamente a luz fraca do universo primitivo. Ao empregar tecnologias inovadoras como o Mapeamento de Intensidade de Linha e óptica de ponta, esse instrumento vai fornecer insights valiosos sobre a Época da Reionização, ajudando a responder algumas das maiores perguntas na cosmologia hoje. As primeiras observações de luz esperadas do Telescópio Submilimétrico Fred Young estão marcadas para 2026, o que representa um marco empolgante para esse projeto inovador. Através de pesquisa dedicada e colaboração, o EoR-Spec pretende iluminar nosso entendimento da história do universo e sua evolução contínua.