«PrimerasEstrellas.jpg: Esta ilustración nos muestra una representación de cómo un artista se imagina a las primeras estrellas del universo, nacidas unos 180 millones de años después del Big Bang» Crédito de la imagen: N.R. Fuller/National Science Foundation

Observaciones muy recientes han permitido a los astrónomos detectar una señal proveniente de las primeras estrellas del universo. Los resultados fueron muy sorprendentes no sólo en sí mismos, sino que nos han permitido saber más sobre una componente muy importante del universo la cual no podemos ver: la materia oscura.

Hace 13,700 millones de años el universo comenzó a expandirse a partir de un punto infinitamente denso. Al inicio del universo se le conoce como Big Bang. En los primeros instantes después del Big Bang el universo estaba tan caliente, que los átomos no se podían formar; el universo era una sopa de protones, electrones y radiación. La luz no podía escapar de esta sopa, ya que los fotones eran desviados continuamente por los electrones libres.

Durante todo este tiempo, el universo siguió expandiéndose, por lo que también se fue enfriando. Sólo 378 mil años después del Big Bang finalmente la temperatura fue lo suficientemente baja para que los protones capturaran a los electrones libres y así se pudieran formar los primeros átomos de hidrógeno. Cuando esto sucedió, los fotones restantes dejaron de interactuar con los electrones y el universo se volvió transparente, dejando viajar a los fotones libremente. Estos fotones son las partículas de luz más viejas que podemos observar del universo y los llamamos radiación cósmica de fondo.

Por un periodo de casi 200 millones de años no hubo en el universo más luz que esta radiación cósmica de fondo; se le conoce como la Era Oscura del universo. Durante este tiempo las nubes de gas fueron creciendo en diferentes regiones del universo por medio de la fuerza de atracción gravitacional, hasta que finalmente nacieron las primeras estrellas que iluminaron el universo.

Los astrónomos tenían una teoría de cómo podrían encontrar indicios de estas primeras estrellas. Cuando un átomo de hidrógeno está en el estado con menor energía su protón y su electrón se encuentran anti-alineados. Cuando este átomo absorbe un fotón con una energía muy específica, entonces el electrón se alinea con el protón, y se encuentra en un estado de mayor energía. Si el electrón pierde energía, entonces emite un fotón y vuelve a estar anti-alineado con el protón. Antes de que aparecieran las primeras estrellas, el número de átomos con electrones alineados y anti-alineados se balanceaba, por lo que los fotones que se emitían se compensaban con los que se absorbían, por lo que no había una señal neta de su presencia.

«edgesTelescope.jpg: El radiotelescopio EDGES observa desde el Observatorio de Radioastronomía Murchison en Australia Occidental las señales que dejaron las primeras estrellas en las nubes de gas de hidrógeno que las rodean» Crédito de la imagen: Australia CSIRO.

La historia cambia cuando se forman las primeras estrellas. La luz energética que liberan hace que los electrones en el átomo de hidrógeno se exciten, es decir, que salten a niveles de energía más altos. Cuando los electrones regresan a su estado de menor energía, resulta que habrá más átomos con electrones anti-alineados con los protones, comparado con el número de átomos con electrones alineados. Es por esto que más fotones de la radiación cósmica de fondo serán absorbidos que emitidos, y esto dejaría una huella.

La huella que buscaban los astrónomos es entonces una línea en absorción ocasionada por la interacción de estos fotones con el gas. Esta línea está a una longitud de onda de 21 cm, que corresponde a la energía que necesita el átomo para cambiar de alineación. Debido a la expansión del universo, esta longitud de onda se va moviendo hacia el rojo, es decir, hacia una región del espectro de menor energía, o mayor longitud de onda. Los astrónomos estimaban que haciendo observaciones muy precisas y calculando el movimiento de la línea espectral hacia el rojo debido a la expansión del universo, podrían encontrar esta huella.

Con este objetivo en mente, se colocaron en medio del desierto australiano un par detectores que, a pesar de tener forma de mesa, son muy sofisticados. Detectar este tipo de señal es algo muy difícil, ya que se tiene que separar de otras señales producidas en la Tierra y en nuestra galaxia. Como los investigadores lo ponen, sería “como tratar de percibir el aleteo de un colibrí en medio de un huracán”. Los científicos hicieron cálculos y concluyeron que debido a la expansión del universo y a las condiciones que creemos tenía el universo en sus inicios, encontrarían la señal que buscaban a una longitud de onda de unos cuantos metros ¡y la encontraron!

El primero de marzo de este año el equipo liderado por Judd Bowman de la Universidad Estatal de Arizona, EUA publicó los resultados de sus observaciones en la revista Nature (https://www.nature.com/articles/nature25792). Es la primera vez que se detecta una señal ocasionada por la luz de las primeras estrellas. La frecuencia a la que encontraron la línea indica que estas estrellas se formaron apenas 180 millones de años después del Big Bang. La señal que descubrieron resultó ser más intensa de lo esperado; al parecer el gas estaba más frío de lo que esperaban.

HIbiscus-Antenna-on-site-on-Isla-Guadalupe-Mexico.png: Esta ilustración muestra la antena usada por Sci-HI en la Isla Guadalupe. Crédito de la imagen: Measuring the 21 cm Global Brightness Temperature Spectrum During the Dark Ages with the SCI-HI Experiment - Scientific Figure on ResearchGate. https://www.researchgate.net/HIbiscus-Antenna-on-site-on-Isla-Guadalupe-Mexico_fig1_265512042.

¿Qué hizo que el gas se enfriara tanto? Rennan Barkana, de la Universidad de Tel Aviv en Israel, lo explica en otro artículo publicado en el mismo número de la revista Nature (https://www.nature.com/articles/nature25791). Él postula una teoría en la que el gas logra enfriarse si sus partículas interactúan con partículas de materia oscura fría. Los astrónomos creen que 85% de la materia en el universo es materia oscura, es decir que no la podemos ver. Sabemos que está ahí por el efecto gravitacional que ejerce sobre la materia que sí podemos ver: materia hecha de átomos. Todavía no sabemos de qué está hecha la materia oscura, pero la investigación del Profesor Barkana sugiere que tiene que ser fría, para poder explicar el enfriamiento del gas.

Por otra parte, este descubrimiento nos da pistas sobre cómo la materia oscura interactúa con la materia normal (materia hecha de átomos). En el universo hay cuatro fuerzas fundamentales: gravitacional, electromagnética, débil y fuerte. La materia oscura no se observa, entonces sabemos que no interactúa por medio de la fuerza electromagnética. Hasta ahora pensábamos que sólo lo hacía por medio de la fuerza gravitacional. Si hubo un intercambio térmico entre la materia oscura y la materia bariónica, entonces tuvo que haber habido una interacción por medio de la fuerza fuerte o de la débil.

Los resultados de estas dos investigaciones abren la puerta a investigar no sólo el origen de las primeras estrellas, sino también la composición de la materia oscura que permea el espacio. Ahora tenemos una huella que seguir para descubrir de qué está formada el 80% de la masa que conforma a nuestro universo.

En México desde el 2010 hay una colaboración de científicos que también está tratando de detectar esta señal producida por las primeras estrellas por medio de la Sonda Cosmológica de las Islas para la detección de Hidrógeno Neutro (Sci-HI). Esta sonda, ubicada en la Isla Guadalupe, podrá usarse para corroborar que los descubrimientos publicados sean reales e investigar más a fondo el surgimiento de las primeras estrellas del universo.

La Dra. Anahí Caldú Primo es Encargada de Comunicación de la Ciencia (Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.) 

Dr. Bernardo Cervantes Sodi es Investigador (Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.), ambos del IRyA – UNAM, Campus Morelia.