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Un experimento detecta por primera vez la radiación emitida cuando se formaban las primeras galaxias.

Bowman junto a su experimento. Fuente: Judd Bowman.

Cuatrocientos mil años después del Big Bag, cuando el Universo se enfrío lo suficiente, los electrones y protones se recombinaron en átomos de hidrógeno (también se recombinó el helio primordial). Por primera vez la radiación de fondo cruzaba el Universo. Previamente había un plasma de protones y electrones que impedía la propagación de la radiación.
Más tarde todavía no había estrellas y por tanto no había luz, sólo la radiación de fondo cruzaba esa vasta negrura. A esa época se la han llamado (esta vez sí apropiadamente) la edad oscura.
Se cree que 100 millones de años después de la recombinación se formaron las primeras estrellas, aparecieron los primeros puntos de luz y la luz de estas estrellas reionizó el medio intergaláctico, principalmente hidrógeno. Las galaxias empezaron a formarse justo entonces. Es la época o periodo de la reionización.
Pero la información que tenemos del Universo viene a bordo de la radiación electromagnética. Una vez se tienen los átomos recombinados y sin la presencia de luz procedente de estrellas no es fácil saber qué sucedió a la materia en esa época. Pero este tiempo está ligado a importantes cuestiones cosmológicas, como la formación de las primeras estrellas y galaxias, y sería por tanto interesante poder observarlo.
Judd Bowman y Alan Rogers, de Arizona State University y MIT respectivamente, han desarrollado un experimento de radioastronomía que precisamente detecta la señal electromagnética, nunca antes registrada, emitida durante la época de reinización. Este resultado abre una ventana de observación a esa época y podría revolucionar la comprensión que tenemos sobre la aparición y evolución de las primeras galaxias qué tipo de estrellas se estaban formando.
Estos investigadores desplegaron un espectrómetro denominado EDGES en Australia para medir las ondas de radio de entre 100 y 200 MHZ. A pesar de su diseño simple y bajo coste su tarea era muy compleja. En lugar de observar las galaxias trataban de observar el hidrógeno que había entre las mismas. Este gas emitía en la longitud de onda de los 21 cm, pero se ha alargado hasta los 2 metros debido a la expansión cosmológica (en la banda VHF). Según se formaban las galaxias ionizaban el gas hidrógeno primordial alrededor de ellas y esa señal de 21 cm desaparecía. Por tanto, la formación de galaxias debe dejar una huella en el espectro tomado por este experimento.
La señal de 21 cm es muy débil porque procede de transiciones entre los estados de energía del hidrógeno en el que el spin del electrón y el protón están en estado paralelo y antiparalelo.
El experimento no ha sido fácil y estos dos investigadores necesitaron tres meses de observaciones para extraer información útil del ruido radioeléctrico que rodea a la señal que deseaban observar. Estas otras fuentes eran 10.000 veces más potentes que la señal que querían estudiar. La principal fuente de ruido es nuestra propia galaxia, a la que se suman las señales de TV, FM, de los satélites de órbita baja y de otras fuentes artificiales. Basándose en las propiedades espectrales lograron filtrar todas esas fuentes de ruido. La elección de la ubicación australiana se debió a las pocas fuentes artificiales de este tipo de ruido que hay en el lugar.
Una vez extraída la señal cosmológica descubrieron que el gas entre las galaxias de la época no puedo reionizarse rápidamente. El periodo de reionización no termino abruptamente, sino que tuvo lugar a lo largo de un corrimiento al rojo de 0,006, es decir, de unos 5 millones de años. Es la primera vez que se consigue delimitar la duración de este periodo de tiempo. Hasta ahora había sólo medidas indirectas basadas en el fondo cósmico de microondas y en medidas de cuásares lejanos.
La próxima generación de radio telescopios, algunos de ellos interferométricos y ahora en construcción como LOFAR, podrán estudiar esta señal de una manera mucho más sofisticada. Se espera observar cómo las burbujas primigenias empezaron a percolar a partir de las galaxias y a crecer juntas. Si había muchas galaxias emitieron un poco de radiación en esa época entonces habrá muchas pequeñas burbujas por todos lados que se unirían unas a otras hasta formar una estructura espumosa. Si, por el contrario, sólo había unas pocas grandes galaxias emitiendo mucha radiación sólo habrá unas pocas burbujas que crecerían juntas.
La meta final sería levantar un mapa en esas longitudes de onda que muestre cómo se dio la reionización, aunque de momento se ha empezado con un experimento muy simple. De momento se trata de saber los límites básicos del gas presente en la época y cuánto tiempo necesitaron las galaxias para cambiar sus propiedades. Todo esto ayudará a saber cómo eran los objetos presentes en el Universo 300 ó 800 millones de años después del Big Bang.
Quizás dentro de poco contemos ya con mapas del hidrógeno calentado por las primeras estrellas.

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Fuentes y referencias:
Nota de prensa.
Artículo original.