Los astrónomos detectan la luz de las primeras estrellas del Universo

Las sorpresas en la señal del amanecer cósmico también insinúan la presencia de materia oscura.

 

Un radiotelescopio en el oeste de Australia ha detectado un signo de la luz proveniente de las primeras estrellas del universo. Crédito: Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization

Los astrónomos descubrieron por primera vez señales de luz muy buscadas desde las primeras estrellas que se formaron en el Universo, alrededor de 180 millones de años después del Big Bang.

La señal es una huella dactilar dejada en la radiación de fondo por el hidrógeno que absorbió parte de esta luz primordial. La evidencia sugiere que el gas que compuso el Universo temprano era más frío de lo que se había predicho. Esto, dicen los físicos, es una posible señal de la influencia de la materia oscura. Si se confirma, el descubrimiento podría marcar la primera vez que la materia oscura ha sido detectada a través de algo más que sus efectos gravitacionales.

"Esta es la primera vez que vemos una señal desde el principio del Universo, aparte del resplandor del Big Bang", dice Judd Bowman, un astrónomo de la Universidad Estatal de Arizona en Tempe que dirigió el trabajo, que se publica en Nature1 el 28 de febrero. "Si es cierto, esta es una gran noticia", dice Saleem Zaroubi, un cosmólogo de la Universidad de Groningen en los Países Bajos. Otros equipos necesitarán confirmar la señal pero, hasta ahora, el hallazgo parece ser sólido, dice. "Es algo muy emocionante". Este es un período en la historia del Universo del que sabemos muy poco ".

Chispas estrella

Los físicos piensan que el Big Bang, hace 13.800 millones de años, generó un plasma ionizado, que se enfrió rápidamente a medida que el Universo se expandía. Después de aproximadamente 370,000 años, esta sopa comenzó a formar átomos de hidrógeno neutros. Con el tiempo, y bajo la influencia de la gravedad, estos se juntaron formando estrellas que se encendieron. Esta transición se conoce como amanecer cósmico (ver "Luz temprana del alba").

La luz de estas estrellas sería ahora tan débil que su detección con telescopios basados ​​en la Tierra es casi imposible. Pero los astrónomos siempre han esperado verlo indirectamente: la luz habría cambiado sutilmente el comportamiento del hidrógeno que una vez llenó el espacio entre las estrellas. Este cambio habría permitido que el gas hidrógeno absorbiera la radiación del fondo de microondas cósmico (CMB) - el resplandor del Big Bang - a una longitud de onda de radio característica de 21 centímetros, lo que deja una caída en la intensidad del CMB.

Para buscar la señal, el equipo utilizó un radiotelescopio llamado Experimento para Detectar la Época Global de Firma de Reionización (EDGES), con sede en el Observatorio de Radioastronomía de Murchison en Australia Occidental. Debido a que nuestra propia galaxia y la radio FM generada por humanos generan ondas en la misma banda que la señal, detectar la caída significa filtrar cuidadosamente estas fuentes más poderosas. Pero Bowman y sus colegas pronto encontraron la señal pronosticada en aproximadamente la frecuencia que esperaban. Y a pesar de ser una caída insignificante del 0,1% en la radiación, todavía era el doble de la magnitud prevista. El hallazgo fue tan claro que los investigadores pasaron dos años comprobando que no provenía de un efecto instrumental o ruido. Incluso construyeron una segunda antena y apuntaron sus instrumentos a diferentes partes del cielo en diferentes momentos. "Después de dos años, pasamos todas estas pruebas y no pudimos encontrar ninguna explicación alternativa", dice Bowman. "En ese punto, comenzamos a sentir emoción".

La radiación de este período llega estirada por la expansión del Universo, lo que significa que la banda en la que se encontró la señal revela su edad. Esto le permitió al equipo salir con la última aparición del amanecer cósmico a 180 millones de años después del Big Bang. La desaparición de la señal revela un segundo hito: cuando los rayos X más energéticos de las muertes de las primeras estrellas elevaron la temperatura del gas y apagaron la señal. El equipo de Bowman pone ese tiempo alrededor de 250 millones de años después del Big Bang.

La comprensión de estas estrellas primordiales es importante no solo porque moldearon la materia que las rodea, sino también porque sus muertes explosivas crearon la sopa de elementos más pesados, como el carbono y el oxígeno, de los que se formaron las estrellas posteriores, dice Bowman. "Si realmente queremos comprender la escala cósmica de nuestros orígenes, este es un paso crítico para entender", dice.

Cuna cósmica

 

Si bien la señal apareció a una frecuencia esperada, su fuerza fue completamente inesperada, dice Rennan Barkana, un cosmólogo de la Universidad de Tel Aviv en Israel. "Estaba realmente sorprendido", dice Barkana, quien ha publicado un segundo artículo relacionado en Nature2. Él dice que la fortaleza sugiere que o hubo más radiación de la esperada en el amanecer cósmico, o que el gas estaba más frío de lo que se había predicho. Ambos serían "muy extraños e inesperados", dice.

La única explicación que tiene sentido para Barkana es que el gas se enfrió por algo. Eso apunta a la materia oscura, dice, lo que las teorías sugieren que debería haber sido frío en el amanecer cósmico. Los resultados también sugieren que la materia oscura debería ser más ligera de lo que indica la teoría predominante, dice Barkana. Esto podría ayudar a explicar por qué los físicos no han podido observar la materia oscura directamente, en experimentos que se han prolongado durante décadas. Si eso es cierto, tenemos que diseñar nuevos tipos de experimentos para verlo, agrega.

Por ahora, la señal del amanecer cósmico es tentativa. Pero otros experimentos están alineados para investigarlo. La mayoría de los radioastrónomos habían estado buscando otras señales de hidrógeno de un período posterior en la historia del Universo. Uno de esos experimentos en desarrollo, el Hydrogen Epoch of Reionization Array, un proyecto de radiotelescopio internacional basado en el desierto de Karoo en Sudáfrica, ahora está siendo adaptado para detectar señales en las longitudes de onda exploradas por el equipo de Bowman. Él espera que pueda replicar sus resultados durante los próximos años.

Otros experimentos, como LOFAR (Low-Frequency Array), un gran sistema de antenas de radio distribuidas en cinco países europeos, deberían ser capaces de dar un paso más y mapear cómo la intensidad de la señal fluctúa en el cielo. Y si la causa de la señal fuerte es la materia oscura, eso debería ser visible como un patrón distintivo. "Estamos ansiosos por que otro instrumento lo confirme", dice Bowman.

Hemos estado tratando de estudiar el período en que las estrellas se formaron por primera vez durante 35 años, dice Martha Haynes, astrónoma de la Universidad de Cornell en Ithaca, Nueva York. "Estoy emocionado de pensar que finalmente hemos detectado la señal buscada por tanto tiempo".

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