Hemos detectado las señales de las primeras estrellas del universo y cuentan una historia alucinante

^{(N.R.Fuller/National Science Foundation)}

El Big Bang pudo haber sido brillante y dramático, pero inmediatamente después de que ocurriera, el Universo se volvió extremadamente frío y oscuro durante mucho tiempo. De hecho, los científicos creen que tuvieron que pasar hasta 200 millones de años para que las primeras estrellas emergieran de esa oscuridad. Ahora nuevas observaciones revelaron la existencia de gas de hidrógeno en la época en que las estrellas apenas comenzaban a encenderse, y este parece haber interactuado con partículas de materia oscura.

Después del Big Bang pero antes de que se formaran estrellas y galaxias, la mayor parte del espacio se llenó con gas de hidrógeno que se mezcló con la luz de fondo que quedaba del Big Bang, llamada “radiación de fondo de microondas” (O CMB por sus siglas en inglés), la cual es invisible para los telescopios.

Pero a medida que las estrellas comenzaron a formarse, su radiación ultravioleta irradió un poco de energía a los átomos de gas, lo que les permitió absorber parte de la luz de fondo. Los astrofísicos han estado tratando de observar esa absorción durante décadas.

Ahora, Judd Bowman en la Universidad Estatal de Arizona en Tempe y sus colegas finalmente lo han conseguido. Construyeron un radiotelescopio especializado en el interior de Australia, donde puede evitar la contaminación por ondas de radio terrestres. La frecuencia de la señal del universo primitivo se confunde con las frecuencias de radio FM, por lo que la ubicación debe ser remota. Los resultados han sido publicados en Nature.

La razón por la cual el equipo finalmente tuvo éxito se debió en parte al sensible receptor EDGE del experimento y a la pequeña antena, que le permite cubrir una gran área del cielo con mayor facilidad. Para asegurarse de que cualquier disminución en el brillo que encontraron provino de la luz estelar en el Universo temprano, el equipo observó un efecto conocido como desplazamiento Doppler.

^{Receptor EDGE
CSIRO}

Del mismo modo, como todas las galaxias se alejan de nosotros debido a la expansión del Universo, la luz se desplaza a longitudes de onda más rojas. Los astrónomos llaman a este efecto "corrimiento al rojo" (Redshift), el cual le dice a los científicos qué tan lejos está una cierta nube de gas de la Tierra y hace cuánto en el tiempo cósmico se emitió la luz.

En este caso, cualquier cambio en la caída en el brillo esperado a una longitud de onda de 21 centímetros daría una indicación de cómo se mueve el gas y qué tan lejos está. El equipo midió distintos rangos, el más profundo de todos: cuando el Universo en sí tenía solo 180 millones de años. Esta era la luz de las primeras estrellas.

Las señales de radio mostraron que los átomos de hidrógeno comenzaron a absorber luz de fondo unos 180 millones de años después del Big Bang. "Aparte del CMB, esto es lo más lejos que hemos visto en el universo temprano", dice Bowman a New Scientist. "Es la evidencia más temprana de la existencia de estrellas".

Sorprendentemente, la señal fue mucho más fuerte de lo que esperaban. La fuerza de absorción depende de la temperatura del gas, por lo que significa que el gas estaba dos veces más frío de lo que se había predicho anteriormente, unos -268 ° C, lo cual es mucho más frío de lo que predecían los modelos.

"La única manera de enfriar algo es transferir energía desde él, pero ¿qué podría ser aún más frío que el gas? El único candidato es la materia oscura ", dice Rennan Barkana de la Universidad de Tel Aviv en Israel, quién también ha publicado un paper en Nature. Todo lo demás en el universo temprano es demasiado cálido.

^{Universo expandiendose luego del Big Bang
(N.R.Fuller/National Science Foundation)}

Este descubrimiento “va a cambiar todo”

Barkana descubrió que las partículas de materia oscura debieron haber sido bastante ligeras para absorber suficiente velocidad y, por lo tanto, calentarse a partir del gas para compensar la drástica caída de la temperatura. El astrónomo calculó que las partículas no pudieron pesar más de 4.300 millones de electronvoltios (GeV), o casi 4.5 veces la masa de un átomo de hidrógeno. Eso es mucho más liviano que la masa de aproximadamente 100 GeV que esperamos encontrar en una partícula llamada “partículas masivas de interacción débil” (o WIMP por sus siglas en inglés), el principal contendiente de materia oscura.

Esta medida arroja más pistas sobre la materia oscura. "Hasta ahora, la materia oscura ha sido implícita por su gravedad. (Su observación) ha sido indirecta, y algunas personas acaban de cuestionar nuestras teorías de la gravedad", dice Barkana. "Esta es la primera evidencia que es independiente de la gravedad".

Los investigadores siguen siendo prudentes con su hallazgo, incluso después de dos años de verificar dos veces cada parte de su radiotelescopio, y construir una segunda copia exacta para confirmar su medición. Otros experimentos deberán verificar independientemente la señal que encontraron Bowman y su equipo. Justamente, en este momento radioastrónomos están desarrollando la próxima generación de redes gigantes de radiotelescopios o interferómetros en Australia y Sudáfrica, llamada Square Kilometer Array, así como otros experimentos de vanguardia dedicados al estudio del amanecer cósmico.

"Si el informe es correcto y se confirma, la implicación será una nueva comprensión de la materia oscura: cómo afectó al universo primitivo y al universo ahora", dice Lincoln Greenhill en el Centro Harvard-Smithsonian para Astrofísica. "Va a cambiar todo". De hecho, los físicos teóricos ahora deben decidir si deben extender el modelo estándar de la cosmología y la física de partículas para explicar este efecto.

Victor Román
Esta noticia ha sido publicada originalmente en N+1, ciencia que suma. 

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