Una rara señal del universo ofrece  a los científicos pistas sobre la materia oscura

Una rara señal del universo ofrece  a los científicos pistas sobre la materia oscura

Utilizando una antena engañosamente simple más o menos del tamaño y la forma de una mesa de comedor, los radioastrónomos han hecho un descubrimiento sin precedentes: las huellas dactilares reveladoras de las primeras estrellas en el cosmos, presionadas por el resplandor del nacimiento del universo.

Esa señal, impresa más profundamente en el resplandor del Big Bang de lo que esperaban los científicos, podría revelar mucho sobre la juventud del universo e insinuar la naturaleza de la materia oscura, esa sustancia misteriosa que supera con creces toda la materia normal existente.

Los hallazgos y el trabajo teórico que describe el papel potencial de la materia oscura, descrito en dos artículos en la revista Nature, entusiasmaron a los físicos teóricos y experimentales por igual.

"En mi opinión... si es real, es merecedor del Premio Nobel dos veces", dijo Avi Loeb, un astrofísico teórico de la Universidad de Harvard que no participó en la investigación. "No solo detectaron la señal, sino que en realidad es más grande de lo que uno puede acomodar en el modelo cosmológico estándar. Y necesitas una nueva física para poder explicar una señal tan grande como la que detectaron".

Las primeras estrellas del universo, que nacieron alrededor  de 100 millones de años después del Big Bang, hace unos 13.800 millones de años, no eran como las estrellas de hoy. Debido a que se fusionaron en la sustancia de hidrógeno neutro (y un poco de helio) que llenó el cosmos primitivo, estas estrellas crecieron, se quemaron y se volvieron azules y luego murieron rápidamente, probablemente sobreviviendo alrededor de 100 millones de años, más o menos. (Nuestro propio sol, en comparación, ya tiene 4.6 mil millones de años y le quedan miles de millones de años más).

 Cuando estas estrellas efímeras se convirtieron en supernovas, sus explosivas muertes forjaron elementos más pesados que sembraron generaciones de estrellas. Entonces, entender que la vanguardia estelar que trajo la luz al universo es clave para entender todas las estrellas en las galaxias de hoy.

"Sabíamos que deberían ser diferentes, y que realmente ponen las semillas para todo lo que viene después de ellas", dijo el autor principal Judd Bowman, un astrofísico experimental de la Universidad Estatal de Arizona.

Pero es extremadamente difícil vislumbrar la evidencia real de esas primeras estrellas, y así obtener un control firme de la línea de tiempo de los eventos en esta época de la historia cósmica. Eso se debe en parte a que no hay muchas estrellas para ver en esta era temprana. Pero también es porque el universo se está expandiendo, y esa expansión está estirando esa antigua luz estelar en longitudes de onda más largas y "más rojas". Eso significa que incluso el Telescopio Espacial Hubble de la NASA, que ha sido capaz de ver galaxias desde 400 millones de años después del Big Bang, no puede detectarlas.

En un proyecto denominado EDGES (abreviatura de Experiment to Detect Global EoR Signature), Bowman y sus colegas decidieron adoptar un enfoque diferente. En los últimos años, los astrónomos han estudiado el resplandor radiactivo del Big Bang, conocido como el fondo cósmico de microondas, o CMB. Esta radiación es sutil pero se extiende por todo el cielo, y los astrónomos han estudiado sus pequeñas fluctuaciones para comprender la estructura subyacente del universo primitivo.

Los científicos se dieron cuenta de que el fondo cósmico de microondas, mezclado con esa sopa de hidrógeno neutro, en realidad podría contener una sutil huella dactilar de esas estrellas primordiales. Esto se debe a que la luz estelar ultravioleta habría desplazado el estado de energía de los átomos de hidrógeno, lo que les permitiría absorber una longitud de onda particular del fondo de microondas cósmico. En alguna parte de las longitudes de onda que componen el CMB, encontrarían esta porción reveladora de luz faltante.

Encontrar esta huella digital en el resplandor del universo fue más fácil decirlo que hacerlo. El universo local arroja una cantidad abrumadora de ondas de radio a la Tierra, ahogando esta señal silenciada. Además de eso, los científicos estaban usando un instrumento bastante simple: un solo detector de radio de aproximadamente 6.4 pies de largo, aproximadamente del tamaño y la forma de una mesa de comedor. Con esta única antena, habría sido imposible buscar una señal en una parte particular del cielo.

En cambio, miraron el espectro de radio promedio en todo el cielo y buscaron discrepancias. También colocaron su detector en una región remota de Australia, con la esperanza de estar lo más lejos posible de las ondas de radio generadas por humanos.

Efectivamente, los científicos descubrieron una caída en las ondas de radio a 78 megahertzios, una longitud de onda de luz que se había estirado dramáticamente, gracias a la expansión del universo, desde la frecuencia original de 1,420 megahercios. (Cuanto mayor es la frecuencia de una onda, más corta es su longitud de onda.) Los científicos dicen que falta esta longitud de onda, ya que fue absorbida por el gas de hidrógeno de la luz de esas primeras estrellas.

"Creo que es un poco como ganar la lotería ", dijo Alan Rogers, coautor del estudio y astrónomo de radio en el MIT. Al mismo tiempo, admitió, la suerte a menudo favorece a los científicos. "Pasamos mucho tiempo mejorando la calibración del instrumento".

Los resultados muestran que estas primeras estrellas ya brillaban solo 180 millones de años después del Big Bang. A medida que esas primeras estrellas morían, probablemente dejaban agujeros negros, y las estrellas de neutrones y supernovas, produciendo rayos X que calentaban aún más el gas de hidrógeno. Gracias a todo este calentamiento, la señal de absorción desaparece unos 90 millones de años después.

"Este es un gran resultado potencial que es realmente un gran avance en el esfuerzo de más de una década para detectar señales del universo temprano", dijo Gregg Hallinan, un radioastrónomo de Caltech que no participó en el trabajo. "Esta medida es nuestro primer paso para comenzar a comprender esa era en la que se formaron las primeras estrellas y galaxias".

Si bien la ubicación de la señal coincidía con las predicciones teóricas, su forma no. La inclinación en la curva de luz era de fondo plano, como una U, y también dos veces más profunda de lo que los científicos habían predicho. Esa profundidad parece implicar que el hidrógeno era mucho más frío de lo que debería haber sido en ese momento.

En un artículo separado, el teórico Rennan Barkana de la Universidad de Tel Aviv presenta una posible explicación: el hidrógeno puede haber interactuado con la materia oscura. Si resulta ser cierto, esto sería innovador, porque hasta ahora solo se sabía que la materia oscura interactuaba con la materia normal a través de su influencia gravitacional. (Esa influencia gravitatoria es bastante clara a gran escala porque hay más de cinco veces más materia oscura que la materia normal en el universo, aunque no se puede ver ni tocar).

Pero el primer paso, dijeron los científicos, sería realizar experimentos independientes para confirmar que esta señal realmente existe.

Para leer esta nota en inglés, haga clic aquí

Copyright © 2018, Hoy Los Angeles, una publicación de Los Angeles Times Media Group
65°