MeerKAT detecta hidrogênio distante sem um mapa óptico auxiliar

O hidrogênio que chegou ao radiotelescópio MeerKAT depois de viajar por cerca de 4 a 5 bilhões de anos não apareceu como uma coleção de galáxias reconhecíveis. Surgiu como um padrão estatístico muito fraco, escondido sob fontes de rádio mais brilhantes e interferência produzida na Terra. A equipe de Sourabh Paul, Zhaoting Chen, Mario G. Santos e Laura Wolz relata a primeira detecção direta do autoespectro de potência desse sinal no modo interferométrico de mapeamento de intensidade, sem usar um catálogo óptico de galáxias para confirmar onde procurar.

O sinal vem da linha de 21 centímetros do hidrogênio atômico neutro, abreviado HI na radioastronomia. Em vez de separar cada galáxia, o mapeamento de intensidade soma a emissão de muitas galáxias não resolvidas. O espectro de potência mede como as flutuações dessa intensidade se distribuem por escalas espaciais; ele não é uma fotografia nem um mapa tridimensional pronto. Até agora, detecções nessas distâncias haviam dependido principalmente da correlação entre os dados de rádio e levantamentos ópticos. O novo resultado mostra que o rádio sozinho contém informação estatística recuperável.

Os pesquisadores reanalisaram aproximadamente 96 horas de observações de comissionamento feitas em 2018, distribuídas por nove conjuntos de dados e com pelo menos 58 antenas. Dividiram a banda L em duas janelas de cerca de 46 megahertz, centradas em 1.077,5 e 986 megahertz. As frequências correspondem a desvios para o vermelho z≈0,32 e z≈0,44: quanto maior o desvio, mais a expansão cósmica alongou a onda e mais antiga é a emissão observada. Cada janela continha 220 canais, parte dos 4.000 canais originais de 209 quilohertz.

A dificuldade decisiva era separar o hidrogênio da interferência de radiofrequência, ou RFI, e dos foregrounds astrofísicos. A equipe dividiu os dados em amostras de tempos pares e ímpares e calculou a potência cruzada entre elas, estratégia que remove o viés médio do ruído. Depois aplicou dois filtros. O método conservador BLF excluiu pares de antenas contaminados antes do cálculo e detectou o sinal com 3,2 desvios-padrão em z≈0,32 e 3,5 em z≈0,44. O método UVDF identificou modos anômalos depois de organizar os dados no espaço de frequência e atraso; após excluir os dois primeiros intervalos de escala, mais suscetíveis a efeitos sistemáticos, as significâncias foram 5,9 e 9,18 desvios-padrão, respectivamente. Esses valores comparam a potência combinada com sua incerteza estatística sob a hipótese de sinal zero; não incorporam automaticamente toda fonte possível de erro sistemático.

As duas análises convergiram, mas a diferença de significância mostra quanto a conclusão depende do tratamento da contaminação. Testes de jackknife, nos quais cada bloco de observação foi retirado por vez, não revelaram um bloco dominante. Um teste nulo cruzou as duas faixas de frequência, que não deveriam compartilhar o mesmo sinal cosmológico, e ficou compatível com zero. Simulações também indicaram que a reconstrução dos canais removidos perde parte do sinal em certas direções matemáticas, embora a perda estimada tenha ficado abaixo do erro de medição no espectro unidimensional final. RFI fraca e de banda larga continua sendo um risco declarado pelos autores.

O artigo publicado no The Astrophysical Journal Letters usa o espectro para explorar modelos da distribuição de massa de HI nos halos de matéria escura. Os parâmetros, porém, ficaram degenerados quando a dependência direcional foi condensada em intervalos unidimensionais; restrições preliminares exigiram uma informação externa sobre a densidade cósmica de HI. Portanto, os dados ainda não medem a energia escura nem entregam o mapa cosmológico prometido para levantamentos maiores. Eles demonstram que um instrumento de 64 antenas pode extrair o traçador sem apoio óptico, inclusive de dados que não foram coletados para esse fim.

O South African Radio Astronomy Observatory e a Universidade de Manchester divulgaram o resultado em 1º de setembro; Robert Lea o examinou em reportagem publicada pela Space.com em 4 de setembro. Para o futuro Square Kilometre Array, do qual o MeerKAT é precursor, a conquista e o alerta são inseparáveis: áreas maiores e integrações mais longas podem transformar a prova de conceito em cartografia cósmica, desde que a próxima geração de análises controle sinais terrestres ainda mais fracos.