Detectadas señales de las primeras estrellas del universo

Astrónomos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y la Universidad Estatal de Arizona han captado señales débiles de gas de hidrógeno del universo temprano. Los científicos han rastreado las señales hasta 180 millones de años después del Big Bang, haciendo que esta detección sea la evidencia más temprana de hidrógeno observada.

Asimismo, determinaron que el gas estaba en un estado que hubiera sido posible solo en presencia de las primeras estrellas. Estas estrellas, parpadeando por primera vez en un universo que anteriormente carecía de luz, emitieron radiación ultravioleta que interactuaba con el gas de hidrógeno circundante. Como resultado, los átomos de hidrógeno en todo el universo comenzaron a absorber radiación de fondo, un cambio fundamental que los investigadores pudieron detectar en forma de ondas de radio.

Los hallazgos proporcionan evidencia de que las primeras estrellas pueden haber comenzado a encenderse alrededor de 180 millones de años después del Big Bang.

"Es la primera señal real de que las estrellas comienzan a formarse y empiezan a afectar al medio que las rodea --afirma el coautor del estudio Alan Rogers, científico del Observatorio Haystack del MIT--. Lo que está sucediendo en este periodo es que parte de la radiación de las primeras estrellas está comenzando a permitir que se vea hidrógeno. Está haciendo que el hidrógeno comience a absorber la radiación de fondo, por lo que se empieza a ver en silueta, a frecuencias de radio particulares".

Ciertas características en las ondas de radio detectadas también sugieren que el gas de hidrógeno y el universo en su conjunto deben haber sido dos veces más fríos que lo que habían estimado previamente los científicos, con una temperatura de alrededor de 3 kelvins o -454 grados Fahrenheit. Rogers y sus colegas no están seguros de por qué el universo temprano era mucho más frío, pero algunos astrónomos han sugerido que las interacciones con la materia oscura pueden haber jugado algún papel.

"Estos resultados requieren algunos cambios en nuestra comprensión actual de la evolución temprana del universo --plantea Colin Lonsdale, director del Observatorio Haystack--. Afectaría a los modelos cosmológicos y requeriría que los teóricos volvieran a poner sus límites de pensamiento para descubrir cómo sucedería eso".

Como escuchar el aleteo de un colibrí en medio de un huracán

Los científicos detectaron el hidrógeno usando EDGES ('Experiment to Detect Global EoR Signature'), una pequeña antena de radio terrestre ubicada en el oeste de Australia, financiada por la Fundación Nacional de Ciencia. Las antenas y porciones del receptor fueron diseñadas y construidas por Rogers y el equipo del observatorio Haystack.

El instrumento fue diseñado originalmente para recoger las ondas de radio emitidas desde un momento en la historia del universo conocido como la Época de reionización, o EoR. Se cree que durante este periodo aparecieron en el universo las primeras fuentes luminosas, como estrellas, cuásares y galaxias, lo que provocó que el medio intergaláctico previamente neutro, compuesto principalmente de gas de hidrógeno, se ionizara.

Antes de la aparición de las primeras estrellas, el universo estaba envuelto en la oscuridad, y el hidrógeno, su elemento más abundante, era prácticamente invisible, encarnando un estado de energía que era indistinguible de la radiación de fondo cósmico circundante.

Los científicos creen que cuando las primeras estrellas se activaron, proporcionaron radiación ultravioleta que causó cambios en la distribución de los estados de energía de los átomos de hidrógeno. Estas modificaciones hicieron que el electrón individual del hidrógeno girara en alineación o frente al giro de su protón, provocando que el hidrógeno en su conjunto se "desacoplara" de la radiación de fondo.

Como resultado, el gas de hidrógeno comenzó a emitir o absorber esa radiación, a una longitud de onda característica de 21 centímetros, equivalente a una frecuencia de 1.420 megahercios. A medida que el universo se expandió con el tiempo, esta radiación se "desplazó hacia el rojo" a frecuencias más bajas. En el momento en que esta radiación de 21 centímetros alcanzó la Tierra actual, aterrizó en algún lugar en el rango de los 100 megahercios.

Los científicos han estado utilizando EDGES para tratar de detectar el hidrógeno que existía durante la evolución muy temprana del universo, con el fin de determinar cuándo se activaron las primeras estrellas. "Hay un gran desafío técnico para hacer esta detección", afirma Peter Kurczynski, director del programa de Tecnologías Avanzadas e Instrumentación en la División de Ciencias Astronómicas de la Fundación Nacional de Ciencia, que ha proporcionado fondos para el proyecto en los últimos años.

"Las fuentes de ruido pueden ser mil veces más brillantes que la señal que están buscando. Es como estar en medio de un huracán e intentar escuchar el aleteo de un colibrí", añade.

Los investigadores aseguran que esta nueva detección levanta el telón en una fase previamente oscura en la evolución del universo. "Esto es emocionante porque es la primera mirada a un periodo particularmente importante en el universo, cuando las primeras estrellas y galaxias comenzaron a formarse -subraya Lonsdale-. Ésta es la primera vez que alguien tiene datos observacionales directos de esa época".