O que são Rajadas Rápidas de Rádio e como elas são utilizadas para mapear a distribuição de matéria do Universo?

Pesquisadores do Observatório Nacional (ON/MCTI) vêm utilizando observações de  Rajadas Rápidas de Rádio (ou FRBs, de Fast Radio Bursts) para mapear a distribuição de matéria no espaço e responder questões importantes da física fundamental. A técnica surge como uma alternativa aos métodos tradicionais da cosmologia, que dependem da observação óptica direta de objetos luminosos.

As FRBs foram abordadas na tese de doutorado da Dra. Thais Lemos no ON, a primeira no Brasil dedicada ao tema. A tese pioneira, defendida em 2024 no ON sob orientação do Prof. Jailson Alcaniz, resultou em várias publicações nos periódicos científicos internacionais European Physical Journal C e Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP).

Concepção artística da localização de uma FRB em sua galáxia hospedeira. Fonte: Danielle Futselaar/AAS Nova.

O que são as FRBs e como funcionam?

Descobertas em 2007, as FRBs são emissões intensas de ondas de rádio que duram apenas alguns milissegundos. Embora a origem exata desses eventos ainda seja objeto de estudo (com hipóteses que incluem objetos compactos e magnetares), a elevada Medida de Dispersão observada nos sinais indica que a maioria das FRBs provém de galáxias distantes, ou seja, trata-se de um fenômeno extragaláctico.

Ao longo do trajeto até a Terra, o sinal de rádio atravessa diferentes regiões do Universo que contêm gás ionizado. Esse material está presente tanto na galáxia onde a FRB se originou quanto no espaço entre as galáxias (Meio Intergaláctico) e na nossa galáxia. Ao interagir com os elétrons livres presentes nesse caminho, as diferentes frequências do sinal sofrem um pequeno atraso, fazendo com que as frequências mais baixas cheguem à Terra depois das mais altas.

"Esse atraso pode ser medido e está relacionado à Medida de Dispersão, que indica a quantidade de elétrons que o sinal encontrou ao longo de seu percurso. Quando identificamos a galáxia de origem das FRBs, é possível medir seu desvio para o vermelho (redshift). Ao combinar essa informação com a Medida de Dispersão, é possível estimar a quantidade de elétrons presentes no caminho percorrido pelo sinal e, consequentemente, investigar a quantidade de matéria existente no espaço entre as galáxias", explicou a Dra. Thais. 

Mapeamento dos bárions no meio intergaláctico

Um dos desafios da cosmologia é contabilizar a matéria ordinária (bárions) no Universo. Grande parte dessa matéria não se encontra concentrada nas galáxias, mas sim distribuída de forma difusa no Meio Intergaláctico.

No artigo assinado individualmente pela Dra. Thais Lemos, a pesquisadora analisou a fração de bárions no Meio Intergaláctico a partir de 107 FRBs bem localizadas, combinadas com dados de Oscilações Acústicas de Bárions do Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI DR2) e catálogos de supernovas do tipo Ia (Pantheon+ e DES Y5).

A análise testou parâmetros para a distribuição dessa matéria por meio de uma abordagem independente de modelos cosmológicos. Os testes estatísticos indicaram que os dados atuais não mostram evolução temporal significativa na fração de bárions no Meio Intergaláctico e confirmaram que a maior parte da matéria ordinária no Universo recente está distribuída no espaço intergaláctico.

Teste de massa do fóton

Em outro estudo publicado no JCAP, que tem a Dra. Thais Lemos como autora principal e conta com a colaboração dos pesquisadores Dr. Rodrigo Gonçalves (UFRRJ/ON), Dr. Joel Carvalho (ON) e Dr. Jailson Alcaniz (ON), a equipe utilizou o sinal das FRBs para testar um dos princípios da Relatividade Restrita: a ausência de massa de repouso do fóton.

Caso a partícula da luz possua massa não nula, a velocidade de propagação no vácuo passaria a depender da frequência, gerando um atraso temporal adicional no sinal das FRBs. Ao analisar 110 FRBs e 1.701 supernovas do tipo Ia sem assumir um modelo cosmológico prévio, o estudo estabeleceu limites superiores para a massa do fóton e analisou a relação de anticorrelação entre a massa da partícula e a fração de bárions no meio intergaláctico.

Impressão artística de uma FRB atingindo a Terra. As cores representam a chegada da FRB em diferentes comprimentos de onda de rádio, com os mais longos chegando vários segundos após os mais curtos. Esse atraso é chamado de dispersão e ocorre quando as ondas de rádio se propagam pelo Meio Intergaláctico. Ao observar essas FRBs, os astrônomos conseguem obter detalhes sobre as regiões do Universo pelas quais os sinais viajaram até chegar à Terra. Fonte: Jingchuan Yu (Planetário de Pequim).

Aplicação de métodos independentes de modelos no ON

A utilização de métodos observacionais que buscam reduzir a dependência de modelos cosmológicos teóricos é uma abordagem compartilhada por diferentes trabalhos desenvolvidos no ON.

Essa linha metodológica esteve presente na dissertação de mestrado do MSc. Jonathan Morais, também orientado pelo Prof. Jailson Alcaniz, que gerou esta matéria multimídia no ON. Em estudo publicado no periódico Physics of the Dark Universe, o pesquisador analisou a aplicação de sirenes padrão brilhantes (fusões de corpos compactos detectadas por ondas gravitacionais e luz) para medir a taxa de expansão do Universo (a Constante de Hubble) e avaliar a tensão de Hubble de forma direta.

Perspectivas

Com a entrada em operação de novos radiotelescópios e o aprimoramento dos instrumentos já existentes (como o Square Kilometre Array/SKA e o CHIME), a expectativa é aumentar o número de eventos catalogados com galáxias hospedeiras identificadas, permitindo maior precisão nas análises de cosmologia observacional.

"As FRBs representam uma janela promissora para investigar o Universo. Quando iniciamos esse trabalho, o potencial dessas observações ainda estava começando a ser explorado. A tese de Thais foi pioneira no País ao investigar de forma sistemática como esses sinais podem ser utilizados para responder questões importantes, como a distribuição da matéria bariônica no Universo e limites sobre propriedades fundamentais do fóton. É gratificante ver que esse trabalho de doutorado abriu uma linha de pesquisa que continua produzindo resultados relevantes e ganhando importância à medida que o número de FRBs observadas aumenta. Acredito que com os novos radiotelescópios e levantamentos previstos para os próximos anos, essa área deverá avançar rapidamente e se tornar uma ferramenta cada vez mais importante para a cosmologia observacional", afirmou o Prof. Jailson.

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