Primeras estrellas nacidas 180 millones de años después del Big Bang

Grande como una mesa de ping-pong colocada en medio del desierto de Australia Occidental, protegida de cualquier perturbación electromagnética, la experiencia EDGES «escucha» al cosmos para detectar una señal tenue proveniente de los límites del Universo. Por lo tanto, habría detectado la presencia de las primeras estrellas, que se formaron apenas 180 millones de años después del nacimiento del Universo. Estrellas demasiado distantes y demasiado tenuemente brillantes para ser observadas con telescopios comunes. Por lo tanto, fue por medios indirectos que Judd Bowman, de la Universidad Estatal de Arizona, y su equipo rastrearon estas estrellas muy importantes para la historia del Universo. De hecho, las primeras estrellas quemaron grandes cantidades de hidrógeno y helio y, por lo tanto, produjeron los primeros elementos pesados como el carbono y el oxígeno.

Pero cuándo comenzaron a brillar estas estrellas ? En 2017, Nicolas Laporte del University College London y sus colegas estudiaron la galaxia A2744_YD4, vista cuando el Universo tenía 600 millones de años. Gracias a la red de telescopios ALMA en Chile, los investigadores observaron polvo de estrellas que ya habían desaparecido en ese momento. Al combinar mediciones de telescopios espaciales Hubble y Spitzer , estimaron que estas estrellas se habrían formado cuando el Universo tuviera 400 millones de años. Estas estrellas se encuentran entre las más antiguas conocidas. Otros pueden haber nacido antes ?

Judd Bowman y su equipo utilizaron una estrategia muy diferente para buscar las primeras estrellas del Universo. Estaban interesados en las emisiones electromagnéticas de hidrógeno presentes en el Universo. Alrededor de 380,000 años después del Big Bang, el cosmos se ha enfriado lo suficiente como para que los núcleos y electrones de hidrógeno se combinen y formen un gas de átomos neutros. Después de esta «recombinancia», los fotones presentes en el medio podrían comenzar a extenderse libremente. Esta primera radiación se observa hoy en forma de fondo cósmico de microondas. Pero después de este primer destello de luz, por falta de fuentes de luz en el cosmos, lleno de gas de hidrógeno neutro, el Universo se vio sumido en la oscuridad: es «la edad oscura».

Una impresión cósmica

Luego debemos esperar hasta que las primeras estrellas, nacidas de la acumulación de hidrógeno por colapso gravitacional, se enciendan para que la luz fluya hacia el Universo. Su radiación muy energética comenzó a excitar el gas de hidrógeno neutro cercano. El gas así ionizado absorbió parte de la radiación del fondo cósmico de microondas, a una longitud de onda particular de 21 centímetros. Estamos hablando de «línea de 21 cm». Pero, debido a la expansión del Universo, la radiación cosmológica se ha desplazado hacia el rojo y la línea a 21 centímetros debe estar hoy unos pocos metros de longitud de onda, en el campo de la radio. Judd Bowman y sus colegas querían determinar con precisión con qué frecuencia. La medición de este desplazamiento le permite deducir cuando aparecieron las primeras estrellas.

Primeras estrellas

Por lo tanto, los investigadores observaron el fondo cósmico de microondas en una banda de frecuencia entre 50 y 100 megahercios para aislar el perfil de absorción esperado. Esta medición es difícil porque la Vía Láctea, en particular, es una fuente importante de ruido electromagnético. Después de cientos de horas de recopilación de datos entre 2015 y 2017, y un procesamiento de señal complejo para eliminar el ruido de fondo, el equipo de astrofísicos destacó una señal correspondiente a la línea de hidrógeno espinal a una frecuencia de 78 megahercios, o una longitud de onda de aproximadamente 3,8 metros. Este desplazamiento coloca la excitación de gas hidrógeno por las primeras estrellas desde 180 millones de años después del Big Bang.

Gracias a este resultado, los investigadores se acercan a la fecha precisa de nacimiento de las primeras estrellas. Sin embargo, los futuros radiotelescopios deberán confirmar el resultado de EDGES, en particular SKA (la red de un kilómetro cuadrado), que estará operativa en Sudáfrica a partir de 2022.

Una anomalía relacionada con la materia oscura ?

Nicolas Laporte, que no participó en este estudio, agradece este trabajo: «es un resultado hermoso, que trae una restricción adicional en los modelos de formación de las primeras estrellas y galaxias». Sin embargo, queda por explicar una anomalía en la señal. De hecho, la absorción de la línea a 21 centímetros parece el doble de grande de lo esperado por los modelos teóricos. Esto implica que, 180 millones de años después del Big Bang, el gas hidrógeno era más frío o el baño de fotones más cálido de lo que se pensaba anteriormente. El equipo de Judd Bowman está convencido de que ningún fenómeno astrofísico puede explicar esta observación y ofrece un escenario exótico en el que la materia oscura (Este componente de naturaleza desconocida que representa el 25% del contenido del Universo) habría interactuado con la materia ordinaria, causando así que baje la temperatura promedio del hidrógeno neutro. Si esto se confirma, sería la primera manifestación de la materia oscura que no sean sus efectos gravitacionales.

Sin embargo, esta explicación no convence a todos los especialistas en materia oscura. Para obtener la amplitud de absorción correcta, la interacción de la materia oscura con el hidrógeno debe ser bastante alta, mucho mayor que las limitaciones obtenidas por otros experimentos dedicados a la búsqueda de materia oscura. Un escape sería la llamada materia oscura cargada de milli. En este escenario muy exótico, las partículas de materia oscura tienen una fracción de carga eléctrica de la del electrón. Sin embargo, varios equipos, incluido el de Dan Hooper de la Universidad de Chicago, han demostrado que muchas restricciones de observación excluyen esta hipótesis. Gracias a otras soluciones exóticas, Maxim Pospelov, del Perimeter Institute en Canadá, y su equipo están tratando de explicar un aumento en la temperatura del fotón mediante la desintegración de partículas inestables en lugar de la caída del gas. ‘hidrógeno. Pero lo más probable en este punto es que la medición de EDGES sobreestima la absorción. Solo las experiencias futuras como SKA, pero también LOFAR, un sistema distribuido en seis países europeos, pueden confirmar esto.

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