A cosmóloga que constrói os próprios equipamentos em busca do primeiro nascer do Sol

Para ter um vislumbre das primeiras épocas do Universo – uma era de trevas e de nova luz – Cynthia Chiang instala máquinas nos confins da Terra

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Por Sarah Scoles
Foto: Allen McEachern/Quanta Magazine
Entrevista comCynthia Chiangprofessora de Física na Universidade McGill

QUANTA MAGAZINE – Cynthia Chiang sempre quis trabalhar com as mãos. Embora possa parecer contraintuitivo, foi o que a levou ao campo bastante abstrato da cosmologia observacional: o estudo da origem e do desenvolvimento do cosmos por meio da coleta de dados sobre os primeiros tempos do Universo.

Sua jornada para esse trabalho começou quando ela estava se inscrevendo na pós-graduação e visitou um laboratório no porão do Instituto de Tecnologia da Califórnia. “Entrei e vi todo aquele equipamento de vácuo e todos aqueles criostatos divertidos e, numa fração de segundo, pensei: ‘Sim, é isso que quero fazer quando crescer’”, disse ela. “Acho que tenho um histórico de tomar decisões impulsivas e mal informadas. Mas foi uma ótima decisão”.

Depois de concluir seu doutorado, ela recebeu uma bolsa Dicke na Universidade de Princeton, onde começou a estudar a radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB, na sigla em inglês) – radiação que é relíquia do Big Bang – como parte da equipe científica do telescópio Planck. Mas os experimentos (e as equipes) da CMB estavam ficando maiores, e Chiang queria estudar algo que lhe permitisse construir um instrumento por conta própria.

Enquanto tentava descobrir o que fazer da sua vida de novo, Chiang passou um ano no Polo Sul como uma das cientistas de “inverno” do Telescópio do Polo Sul. Foi então que se abriu uma posição na África do Sul, onde o radiotelescópio Square Kilometer Array seria construído em breve. Ela trocou as micro-ondas cósmicas pelas ondas de rádio cósmicas. “É um comprimento de onda a mais”, disse ela. “Não seria assim tão difícil”.

Hoje, como professora associada de física na Universidade McGill, ela constrói, instala e opera instrumentos que podem detectar sinais de rádio de eras cruciais do início do Universo: a idade das trevas e o amanhecer cósmico. A primeira é uma época muito antiga, quando o Universo era apenas um mar de gás hidrogênio neutro; o segundo veio um pouco mais tarde, quando as primeiras estrelas se acenderam. Captar a luz desse primeiro nascer do sol cósmico – e a escuridão antes desse amanhecer – é tão complicado que Chiang e seus colegas têm de ir até aos confins da Terra para terem pelo menos uma esperança de desembaraçar seus sinais do resto do cosmos desordenado. (O Telescópio Espacial James Webb e seu espelho multifacetado também olham para esses primeiros tempos, tentando ver a luz das estrelas mais antigas).

Até agora, os cientistas viram pouco da idade das trevas, e apenas uma equipe – chamada EDGES – viu (possivelmente) indícios do alvorecer cósmico. Os resultados, no entanto, requerem confirmação ou refutação de um instrumento diferente.

Um instrumento como aqueles em que Chiang trabalha.

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Fiel às suas raízes, Chiang está usando os instrumentos feitos à mão por sua equipe para avistar essas antigas eras cósmicas. “Os objetivos da ciência em geral são grandes questões sobre como o Universo funciona e qual é seu destino”, disse ela. Mas os experimentos podem ser – se não exatamente simples – pelo menos pequenos em escala.

A Quanta conversou com Chiang sobre o passado distante do Universo, a dificuldade dos cientistas em viajar no tempo até lá, o trabalho de sua equipe em lugares remotos e por que os mistérios são a melhor parte da ciência. A entrevista foi condensada e editada para maior clareza.

Chiang constrói instrumentos que coletam ondas de rádio do cosmos primordial. Foto: Allen McEachern/Quanta Magazine

Quais foram as melhores e as piores partes do seu ano no Polo Sul?

Desde o momento em que pisei no continente, senti que tinha voltado para casa.

A aurora austral é incrível. Podia ser o pior dia do mundo, mas o telescópio fica a quinze minutos a pé da estação principal. Assim que fechava a porta atrás de mim, sem nada além de escuridão e da aurora austral lá fora, tudo ficava bem. Era um show de luzes só para mim.

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Também adoro a comunidade de lá. Pessoas aleatórias não acabam ali por acidente. O Polo Sul tem um filtro bem estreito.

Falando em filtros estreitos, sua cosmologia envolve a procura de um comprimento de onda de rádio específico chamado linha de 21 centímetros. O que é isso?

A linha de 21 centímetros é uma emissão de rádio natural proveniente dos átomos de hidrogênio, que são o elemento mais abundante no Universo. Dá para pensar no Universo como algo preenchido com todo esse gás brilhando em alguma cor ou comprimento de onda específico. Mas, tal como o resto do cosmos, o gás hidrogênio está se afastando. Esse movimento estica a luz e deixa seu comprimento de onda mais longo. Sabemos qual é o brilho natural – ou a cor – do hidrogênio, por isso sabemos quando ele muda para cores diferentes devido à rapidez com que se afasta de nós. Ou, de forma equivalente e mais importante para esses experimentos, a que distância está.

Depois, você pode construir um telescópio e mirar uma cor específica para esta emissão de 21 centímetros – algo que mapeia uma época específica na história do Universo, como a idade das trevas cósmica.

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Só de ajustar o telescópio para o comprimento de onda certo, você pode sintonizar qualquer parte da história do Universo.

É uma máquina do tempo eletromagnética.

Basicamente.

Recentemente, Chiang e sua equipe da Universidade McGill usaram um drone (carregando uma fonte de calibração) para testar seus equipamentos em Montreal. No sentido horário, a partir do canto superior esquerdo: Chiang carrega uma de suas antenas pelo Rutherford Park, Chiang e a pós-doutora Cherie Day configuram a antena, Chiang mexe no equipamento e a equipe observa enquanto o drone voa acima enquanto a antena rastreia uma fonte de rádio a bordo do drone. Foto: Allen McEachern/Quanta Magazine

Então, depois do Big Bang, como é que o Universo progrediu nas partes da sua história que chamamos de idade das trevas e alvorecer cósmico?

Logo depois do Big Bang, o Universo ficou extremamente quente e denso, era uma sopa de partículas.

Tempos depois, à medida que o Universo se expandiu, ele esfriou e acabou ficando frio o suficiente para que se formassem os primeiros átomos de hidrogênio neutros. E, nesse ponto, o Universo fica escuro. E muito monótono. Porque não tem nada além de gás, a maior parte hidrogênio. É a idade das trevas.

Mas, dentro dessa banheira de gás, algumas pequenas áreas são ligeiramente mais densas que as outras, e as regiões muito densas começam a colapsar sob a influência da gravidade. Em algum momento, há matéria em colapso suficiente para que as primeiras estrelas comecem a se formar. O nascimento dessas primeiras estrelas é conhecido como “amanhecer cósmico”, e elas são bem diferentes das estrelas que costumamos ver hoje. Estamos tentando descobrir exatamente como esses objetos evoluíram e aos poucos foram ficando mais parecidos com as estrelas de hoje.

Como você vê essas eras em seus experimentos de rádio?

Na linha de 21 centímetros, deve haver uma pequena característica de absorção – uma queda no brilho – associada à idade das trevas. Uma característica maior e nítida deve estar associada ao amanhecer cósmico.

Como as pessoas mediram esses sinais do alvorecer? E o que os cosmólogos gostariam de extrair deles?

Até agora apenas dois experimentos fizeram medições desse período. Um deles é o EDGES, que mede a temperatura do céu em diferentes frequências. É como pegar o rádio do seu carro e sintonizar todas as estações ao mesmo tempo e ouvir tudo o que está sendo transmitido.

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O EDGES está procurando uma pequena queda nesse sinal que indique a ativação das primeiras estrelas. Então, na analogia do rádio do carro, você ouviria estática em todas as estações e em um punhado de estações mais silenciosas no meio.

A equipe do EDGES acredita ter detectado essa queda em seus dados. Se for verdade, é nosso primeiro e único vislumbre do amanhecer cósmico. Mas também pode ser um efeito instrumental. Outro experimento, o SARAS 3, fez uma medição muito semelhante e não viu nada.

É fácil se enganar pensando que está vendo algo de verdade, quando pode ser apenas, por exemplo, um cabo solto. Precisamos de outros experimentos para avaliar. Como esses dados são realmente tudo o que temos da era cósmica e ainda não temos certeza de como interpretá-los, não sabemos muito sobre essa época.

Você opera um experimento desse tipo: o PRIZM, que significa “Sondagem da intensidade de rádio em alto Z de Marion” (na sigla em inglês). Qual é a história de origem desse projeto?

É uma loucura. O PRIZM é o sucessor de um experimento mais antigo que, por volta de 2015, precisava de um novo local. Ao mesmo tempo, meu colega Jon Sievers e eu estávamos voando pela África do Sul e lemos uma revista de bordo que descrevia um lugar chamado Ilha Marion, no meio do nada, no sul do Oceano Índico. Parecia totalmente remoto: a 2 mil quilômetros de distância de qualquer coisa. Deve ser bastante silencioso, pensamos – sem muita interferência de sinais de rádio produzidos pelos humanos. Havia uma base de pesquisa e uma certa infraestrutura lá.

Conseguimos financiamento para enviar o experimento. Depois daquele ano inicial, reconstruímos completamente o instrumento e o reencarnamos como PRIZM.

Então, como funciona o PRIZM?

O PRIZM tem duas antenas independentes que fazem observações ao mesmo tempo, uma centrada em 70 megahertz e outra em 100 megahertz, que são frequências de rádio realmente baixas, onde você esperaria ver a luz de rádio extremamente esticada das primeiras partes do Universo, as primeiras estrelas se acendendo.

Se observamos alguma característica estranha nos nossos dados, e se for algo causado por nosso instrumento e não pelo espaço, esperamos que a frequência varie entre os dois instrumentos. Mas, se realmente é algo do céu, deve ser consistente entre os dois.

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Como estão os resultados até agora?

Os dados estão perfeitamente limpos e temos muita coisa em mãos. Marion está longe o bastante do continente para que não vejamos rádio FM, cuja frequência se choca com o sinal do amanhecer cósmico.

Mas ainda temos muito trabalho a fazer para compreender todas as idiossincrasias do instrumento.

E as próprias antenas PRIZM já ultrapassaram sua vida útil. Trabalharam duro em Marion por cinco anos, então estão em péssimas condições. Concluímos o experimento, preciso construir algo novo.

Em julho de 2019, Chiang e sua equipe estiveram na Estação de Pesquisa McGill Arctic, na Ilha Axel Heiberg, pesquisando locais potenciais para antenas ALBATROS. No topo: Um panorama da estação de pesquisa. Linha inferior, a partir da esquerda: Uma antena ALBATROS perto do acampamento; Chiang e um helicóptero; o local onde a equipe instalaria posteriormente uma antena ALBATROS. Foto: Cynthia Chiang/Acervo Pessoal

Como é a Ilha Marion?

É mágica. É um dos lugares mais lindos onde já trabalhei. E também o mais difícil. Faz sombra no Polo Sul. Venta e chove muito, é congelante. Tem névoa salina, então come metal no café da manhã. É muito difícil sobreviver lá.

Instalamos nossas antenas PRIZM a cerca de quatro quilômetros de distância da base principal – uma hora de caminhada de ida e volta para o trabalho, em terrenos que não são especialmente amigáveis. Muitos lamaçais, muitas rochas de lava. Mas vale a pena.

Nessa mesma ilha vocês fizeram outro experimento, chamado ALBATROS, que estudou a idade das trevas. Como esse experimento começou?

Depois de instalarmos o PRIZM, percebemos que Marion é um lugar fenomenal para astronomia de baixa frequência. O que mais podemos fazer aqui? O outro pedaço de território completamente inexplorado é a idade das trevas, que aparece em frequências de 30 megahertz e abaixo.

Em tese, é possível medir flutuações nesse sinal, o que daria ainda mais informações sobre as origens do Universo do que as que obtivemos da radiação cósmica de fundo em micro-ondas. A CMB é bidimensional, porque foi criada muito rapidamente, ao passo que a idade das trevas durou muito tempo, e as observações dela podem oferecer uma visão tridimensional do que estava acontecendo bilhões de anos atrás. É um sonho de cinquenta anos.

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Onde está o sonho agora? O que os cientistas já observaram sobre a idade das trevas?

Basicamente nada. As frequências mais baixas medidas até agora têm cerca de 2 megahertz, em dados da década de 70. Ainda é o que temos de melhor, cinquenta anos depois. Ainda estamos lá. Em baixas frequências, a ionosfera entra em ação e atrapalha.

Antes de tentarmos entender a cosmologia, precisamos descobrir como é a Via Láctea, a desordem no nosso primeiro plano, nessas frequências e então subtraí-la. Para isso, precisamos de um interferômetro: várias antenas trabalhando juntas como um grande instrumento unificado. Quanto maior for o conjunto, melhor será a resolução.

Marion foi o local ideal para iniciar esse projeto porque poderíamos distribuir antenas por toda a ilha, e há cabanas ao longo do perímetro, que são locais muito convenientes para montar bases de operações. Este era o plano original. Começamos a instalar alguns protótipos de antenas para ver como as coisas iam.

Você disse “plano original”...

No meio do projeto, mudei da África do Sul para o Canadá, para a Universidade McGill. A primeira coisa que fiz foi tentar encontrar algum lugar sem rádio perto de Montreal. E acontece que o Ártico é fenomenal, e a McGill tinha uma estação de pesquisa na região. Estamos montando outro conjunto ALBATROS lá em cima e finalmente conseguimos voltar no ano passado e instalar nossas duas primeiras estações autônomas depois de ficarmos parados por dois anos por causa da pandemia de covid.

Aposto que não foi fácil. Você tem alguma história de sua época em locais remotos da Terra?

A pior coisa em Marion foi deixar tudo à prova de ratos. Não era uma coisa para a qual eu estava preparada como física experimental.

Descobrimos que a malha de metal afasta os roedores, então enrolamos todos os cabos com ela.

Antes de começarmos o exercício de enrolar os cabos, peguei um pouco da tela de arame e fiz um saquinho com ela, coloquei um biscoito dentro e deixei durante a noite. No dia seguinte, pude ver marcas de mastigação, como se os ratos tivessem tentado entrar, mas o biscoito estava intacto. Aí pensei, “Beleza, nossos eletrônicos vão ficar seguros”.

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Pensamos muito nos humanos versus a vida selvagem ao configurar nossos instrumentos – dediquei mais ciclos de computação a isso do que jamais teria esperado.

O Ártico tem pequenos mordedores, como os lemingues, mas também grandes mordedores com presas, como lobos e raposas. Por sorte, ainda não tivemos nenhum grande desastre, mas acho que é só uma questão de tempo...

Até que um lobo leve uma antena inteira para casa?

Teria que ser um boi-almiscarado.

O que mantém você motivada para estudar essas partes da história do Universo?

Adoro os mistérios do Universo.

Adoro o aspecto do dia a dia. Quando não estou pensando nos mistérios do Universo, estou pensando em como fazer com que nossos instrumentos sobrevivam e como evitar que o boi-almiscarado derrube nossas antenas. /TRADUÇÃO DE RENATO PRELORENTZOU

História original republicada com permissão da Quanta Magazine, uma publicação editorialmente independente apoiada pela Simons Foundation. Leia o conteúdo original em The Experimental Cosmologist Hunting for the First Sunrise

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