Detectan la luz de las primeras estrellas del universo

Estamos ante una de las noticias más interesantes de 2018. Un grupo de investigadores ha detectado la luz de las primeras estrellas del universo. En el camino, además, nos ha hecho descubrir que la materia oscura podría no ser cómo creíamos…

De la oscuridad a las primeras estrellas

Concepto artístico de las primeras estrellas del universo. Crédito: NASA

El Big Bang fue muy brillante. Sin embargo, tras los primeros miles de años de existencia del universo. El cosmos se volvió extremadamente oscuro durante mucho tiempo. Se calcula que las primeras estrellas tardaron hasta 200 millones de años en aparecer. Hasta ese momento, el universo estaba completamente a oscuras (aunque ya era transparente a la luz). El principal desafío de esto, sin embargo, es que nuestra tecnología actual no es capaz de observar esas estrellas de manera directa.

Podrían ser las estrellas de la llamada Población III, que debieron ser muy masivas y con vidas muy breves, compuestas únicamente por hidrógeno y helio. Pero, como no podemos observarlas de manera directa, la única posibilidad es buscar señales indirectas. Es algo que los astrónomos han estado haciendo durante algún tiempo. Ahora, parece que se ha conseguido ese objetivo gracias a un pequeño radiotelescopio.

Es una medición extremadamente importante. Quiere decir que tenemos una ventana abierta a los inicios del universo. Las observaciones de los investigadores demuestran que las primeras estrellas surgieron unos 180 millones de años tras el Big Bang. Además, y quizá incluso más interesante, también nos descubre más cosas sobre la materia oscura. Nos podría desvelar, según los investigadores, de qué está formada.

¿Cómo se ha hecho el descubrimiento?

El radiotelescopio de Arecibo.
Crédito: H. Schweiker/WIYN y NOAO/AURA/NSF

Hasta ahora, la teoría decía que las primeras estrellas debieron tener vidas muy breves. También habrían mostrado un marcado color azul y emitido una enorme cantidad de luz ultravioleta. La primera señal observable de esas estrellas siempre se ha pensado que sería una señal de absorción. Es decir, una caída de brillo en el espectro electromagnético al observarlo en una longitud muy específica.

Esa luz atraviesa las nubes de hidrógeno que abundaban en el universo primitivo (y que es el elemento más abundante). En el proceso, también las transforman. Esa caída de brillo se produce en la longitud de 21 centímetros. De hecho, se le llama precisamente así. La línea de hidrógeno o la línea de 21 cm. Es muy útil porque nos permite «observar» el cosmos aunque otros métodos fracasen.

Sin embargo, el problema es que detectar estas emisiones no es nada sencillo. Esa señal compite con muchas otras en esa misma región del espectro. Y esas otras señales son mucho más potentes. Cosas como las ondas de radio en la frecuencia FM. O las ondas de radio emitidas por otros fenómenos que puedan tener lugar en nuestra galaxia. Los investigadores han logrado detectarla, en parte, gracias a la capacidad de recepción de la antena.

La ayuda del efecto Doppler

EDGES, el radiotelescopio, ubicado en Australia, utilizado para detectar la luz de las primeras estrellas.
Crédito: CSIRO Australia

Esa antena es bastante pequeña, y cubre una gran región del cielo con más facilidad. Para asegurarse de que cualquier caída del brillo se debía a la luz de las primeras estrellas, recurrieron al efecto Doppler. Seguro que te resulta familiar. Es algo que experimentamos a diario en nuestro día a día. El tono de una sirena varía a medida que se acerca a nosotros y se aleja. Pasa algo muy similar con la luz de las galaxias que se alejan de nosotros.

La luz que emiten se ve estirada hacia las longitudes de onda más largas. En astronomía, decimos que su luz se desplaza al rojo. Al efecto, de hecho, se le llama desplazamiento al rojo (entre otros nombres similares). En el caso opuesto, cuando la luz de una galaxia se ve acortada porque se acerca hacia la Vía Láctea, la luz se desplaza al azul. Como quizá supongas, al efecto se le llama desplazamiento al azul.

En cualquier caso, ese desplazamiento al rojo indica la distancia de una nube de gas a la Tierra. Cuanto más lejos, más pronto se emitió su luz (desde el Big Bang). Así que, en ese caso, cualquier caída de brillo en la longitud de 21 cm indicaría varias cosas. Cómo se movía el gas y a qué distancia está. El equipo de investigadores midió una caída del brillo que correspondía a un período muy interesante.

Las primeras estrellas y la materia oscura

Ilustración que muestra la evolución del universo, desde el Big Bang (izquierda) hasta la actualidad) derecha.
Crédito: NASA

Se correspondía, aproximadamente, con el momento en el que el universo tenía unos 180 millones de años. Muy poco en comparación con sus casi 13.900 millones de años actuales. Debía ser la luz de las primeras estrellas. Esto, por sí mismo, es una noticia importantísima. Pero es que las cosas no terminan aquí. Porque los investigadores vieron que la amplitud de la señal era el doble de lo que se esperaba.

Eso quiere decir que el hidrógeno era mucho más frío de lo que se creía. Así que ha puesto la física teórica patas arriba. Porque la física sugiere que, en los inicios del universo, habría sido muy fácil calentar un gas, pero difícil enfriarlo. ¿Cómo se produce ese frío adicional que nos permitiría explicar la señal? Los investigadores creen que indica que el gas debió interactuar con algo incluso más frío.

Lo único que conocemos en los inicios del universo, más frío que ese gas, es la materia oscura. Sabemos que la materia oscura es hasta cinco veces más abundante que la materia normal. Pero no sabemos de qué está formada. A lo largo de los años se han planteado varias opciones. Entre esos posibles candidatos, destaca la «partícula masiva que interactúa débilmente. Llamada WIMP por sus siglas en inglés.

Descubriendo las propiedades de la materia oscura

El anillo de oscuridad en este cúmulo galáctico, Cl 0024+17, indica la presencia de materia oscura.
Crédito: NASA, ESA, M.J. Jee y H. Ford (Johns Hopkins University)

La información de los investigadores es intrigante. Sugiere que la partícula de materia oscura no debería ser mucho más masiva que un protón. Así que la WIMP no encajaría, porque su masa está muy por encima. Además, el análisis también sugiere que la materia oscura es más fría de lo esperado. Seguimos sin saber qué podría ser. Pero todo esto podría permitir a los físicos teóricos acotar cómo es la partícula de la materia oscura.

También sirve para destacar la utilidad del estudio de la línea de 21cm. Es una buena forma de analizar el universo en sus inicios. Además, los descubrimientos que se realicen en el futuro podrían arrojar mucha información. Será necesario utilizar receptores más sensibles. Habrá que minimizar, también, las interferencias de las ondas de radio terrestres. Algo que se podría conseguir instalando los instrumentos en la cara opuesta de la Luna.

Si todo va según lo esperado, en el futuro se podría determinar la naturaleza de la materia oscura. Quizá incluso la velocidad a la que se pueda mover. Sin embargo, por ahora no hay planes de construir radiotelescopios en nuestro satélite. Sin embargo, sí que se está desarrollando una red gigante de radiotelescopios en Australia y Sudáfrica. Es el llamado «Square Kilometre Array», un radiotelescopio que tendrá una superficie aproximada de un kilómetro cuadrado. ¿Qué podremos descubrir con él?

El estudio es J. Bowman, A. Rogers, R. Monsalve et al; «An absorption profile centred at 78 megahertz in the sky-averaged spectrum». Publicado en la revista Nature el 28 de febrero de 2018. Puede ser consultado en este enlace.

Referencias: The Conversation, Nature