Primeras estrellas y materia oscura
Primeras estrellas y materia oscura
La detección indirecta de las primeras estrellas que se formaron tras el Big Bang parece tener implicaciones sobre la naturaleza de la materia oscura.
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Hay unos 10 elevado a 90 fotones en el Universo visible. Casi todos ellos se corresponden a los fotones del fondo cósmico de microondas (FCM), esos fotones del plasma primordial generado por el Big Bang que quedaron liberados cuando el Universo se hizo transparente por primera vez a los 380.000 años tras el comienzo de todo, en la época de la recombinación en la que los electrones dejaron de ser libres.
Pero la materia bariónica era un tanto aburrida en esa época y estaba compuesta por nubes de átomos de hidrógeno y helio neutros. No había estrellas ni galaxias que brillaran. El universo era oscuro. Es lo que se ha llamado la Edad Oscura.
En los siguientes 50 o 100 millones de años la gravedad fue juntando esa materia hasta que en algunos lugares se formaron las primeras estrellas, produciendo lo que se denomina el Amanecer Cósmico. Esas estrellas formaron la población III. Los astrónomos tienen una jerga un tanto peculiar, además de llamar metales a cualquier cosa más pesada que el hidrógeno y helio, las poblaciones de estrellas están numeradas contraintuitivamente. La población de estrellas más reciente es la población I.
Pero aún no podemos ver esas primeras estrellas. No sabemos exactamente cómo se formaron y ni cómo afecto al resto del Universo su actividad. Hasta que empiece a funcionar el James Webb (si lo hace algún día), nos tenemos que conformar con métodos indirectos.
Después de un trabajo de 12 años, un equipo de investigadores liderados por Judd Bowman (Arizona State University) ha logrado detectar las primeras huellas que esas estrellas dejaron en el Cosmos.
Estas estrellas inundaron de luz ultravioleta las nubes de hidrógeno que había a su alrededor y el hidrógeno era alterado (excitado) por esa luz. Esto predispondría a los átomos de hidrógeno a absorber las ondas de radio procedentes del FCM con una longitud de onda de 21 cm, que corresponde a la diferencia de energía entre dos niveles hiperfinos. Es esta señal la que este equipo ha logrado detectar.
Pero desde esos 180 millones de años tras el Big Bang hasta la actualidad, el Universo ha estado expandiéndose, alargando las longitudes de onda de los fotones que contiene. Esos fotones de 21 cm de longitud de onda tienen ahora 384 cm o, lo que es lo mismo 78 MHz en frecuencia (en la gama de la radio FM) y es esto lo que ahora se ha logrado detectar.
No se ve la luz de las primeras estrellas, sino que esas estrellas permiten ver el hidrógeno que rodeaba a esas estrellas. Digamos que se ve «la silueta» en frecuencia del hidrógeno que las rodea contra un fondo de radio del FCM, una caída en la intensidad de la señal de fondo de sólo un 0,1% en esos 78 MHz.
Esa señal dejó de emitirse a los 250 millones de años tras el Big Bang, cuando los rayos-X, más energéticos que los UV y procedentes de las primeras supernovas, aumentaron la temperatura del gas primordial. A partir de entonces el Universo empezó a enriquecerse con elementos pesados (como el carbono o el oxígeno) generados en esas estrellas.
El problema a la hora de detectar una señal de esta naturaleza es el inmenso ruido de fondo de radio que hay, tanto de fuentes naturales (incluyendo nuestra propia galaxia) como de origen humano. Para ello, los investigadores tuvieron que construir antenas en medio del desierto australiano.
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La antena consiste en dos paneles metálicos rectangulares montados horizontalmente sobre patas de fibra de vidrio y sobre una malla metálica (ver foto anterior). Las señales recibidas son entonces amplificadas de forma exquisita por una electrónica de precisión. El instrumento funciona como un radioespectrómetro y se denominado EDGES (Experiment to Detect the Global EoR Signature). La idea es barrer el hemisferio sur para medir espectros de radioseñales de origen astronómico y detectar pequeños cambios en la potencia recibida según la longitud de onda. No es capaz de tener una gran resolución espacial, sino que integra la señal de una gran región del cielo con poco margen de maniobra a la hora de elegir la región.
La razón de la ubicación es que la legislación australiana prohíbe colocar estaciones de radio FM a menos de 260 km, por lo que hay menos saturación en esa gama de frecuencias, que es justo lo que se quería observar. Además, el desierto es un lugar bastante libre de estas interferencias.
Los resultados confirman en gran medida los modelos existentes para la formación de las primeras estrellas. Sin embargo, hay una diferencia. La amplitud de la señal era el doble de lo predicho, lo que implica que el gas de hidrógeno era más frío: unos 3 K. Esto sugieren que el Universo a los 180 millones de años de su formación es más frío de lo que se creía.
Especulan que quizás la materia ordinaria (bariones) interaccionaba de algún modo no gravitatorio con la materia oscura en el Universo primigenio y se produjo una transferencia de energía térmica de la materia ordinaria a la oscura. Una idea que ya propuso en su día Rennan Barkana (Universidad de Tel Aviv).
Para que esto sucediera las partículas de materia oscura tendrían que tener una masa menor de 4,3 GeV (menos masa que unos cuatro protones). Esto eliminaría candidatos a partículas de materia oscura en la región esperada de los 100 GeV, lo que explicaría los resultados de detección negativa directa de este tipo de partículas en tierra. Básicamente se estaría mirando en una gama de masas equivocada.
La alternativa es que los modelos cosmológicos que usamos sean totalmente erróneos. Modelos con los que traduce a tiempo en desplazamiento cosmológico, por cierto.
Si el resultado se confirma, estaríamos ante algo nuevo acerca de la materia oscura, materia que no podemos ver y que constituye el 85% de la materia total del Universo y de la que no sabemos realmente su naturaleza. Sería la primera vez que veríamos a la materia oscura hacer algo interesante en 40 años y tendríamos un atisbo de una física más allá del modelo estándar.
Aunque todavía es pronto para descartar otras explicaciones al fenómeno más mundanas, entre ellas que el resultado sea un artefacto o una falsa señal.
Se esperan pronto resultados del instrumento HERA (Hydrogen Epoch of Reionisation Array) en el desierto Karoo en Sudáfrica sobre este asunto. Así que puede que haya confirmación, o no, sin que tengamos que esperar mucho.
El próximo paso será construir un nuevo instrumento que confirme este resultado y con el que se pueda aprender más de las primeras estrellas al estudiar esta señal más profundamente.
Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=6027
Fuentes y referencias:
Artículo original 1.
Artículo original 2.
Ilustración de cabecera: N.R.Fuller, National Science Foundation
Foto: CSIRO Australia.
25 Comentarios
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sábado 3 marzo, 2018 @ 11:12 pm
Lo interesante es la cantidad de enfoques creativos, relativamente baratos (la astronomía de OG es carísisisisima), que ponen a prueba el paradigma. Esto ha sido particularmente brillante.
domingo 4 marzo, 2018 @ 10:23 pm
Se han afinado partes del texto para que se entienda mejor.
lunes 5 marzo, 2018 @ 12:20 pm
Si la materia oscura es real, tal vez deberíamos plantearnos por qué no actúa a pequeña escala, modificando también las leyes gravitatorias proporcionalmente en los fenómenos cercanos. Por lo poco que creo saber, se la detecta fundamentalmente por la alteración en las órbitas estelares en las galaxias y en fenómenos a grandísima escala … y eso se parece a una función matemática o lógica que contenga una condición que solo se activa en unas determinadas condiciones, en este caso, en campos gravitatorios muy extensos. Tal vez la propia estructura íntima del espacio posea diferentes permeabilidades al campo g a grande que a pequeña escala… y las leyes deban tenerlo en cuenta al expresarse.
martes 6 marzo, 2018 @ 7:03 am
Pienso que sí modifica, lo que sucede es que al distribuirse, quizá, de forma bastante uniforme, al menos en las acumulaciones de materia ordinaria como las galaxias, queda incluida en nuestras ecuaciones. Quiero decir que, posiblemente, las constantes serían distintas si no existiera la materia oscura.
martes 6 marzo, 2018 @ 7:23 am
Muy buena idea eso de colocar tan sencilla antena en el hemisferio sur, en un desierto de Australia -demasiado cerca de China que ha de emitir bastante-, posiblemente mejor en uno de Sudáfrica, y me pregunto si no sería preferible algún lugar suficientemente despoblado de la Patagonia. Aunque me pregunto por qué no en un lugar alto, como los observatorios.
martes 6 marzo, 2018 @ 5:18 pm
Hice hace tiempo un programa en basic en el que aplico las constantes gravitatorias a un conjunto (microgalaxia) de n cuerpos de masas dadas (n<500) y en 2D (dos dimensiones) simulo el movimiento del conjunto en torno a uno de ellos o varios de masas mayores… y es curioso cómo pequeñas modificaciones en el exponente e=2 de las distancias modifica sustancialmente los comportamientos del sistema. ¿ Es absolutamente exacto el 2 o solo es una aproximación hasta cierto decimal aún desconocido ? Porque si ese cuadrado 2 fuera a su vez función de distancias o de masas interactuantes , tendiendo a otro valor menor que 2 si son muy valores grandes, tendríamos una materia oscura "matemática" muy interesante…
jueves 8 marzo, 2018 @ 8:27 am
Enhorabuena «petrus»: «… y es curioso cómo pequeñas modificaciones en el exponente… modifica sustancialmente los comportamientos del sistema». Parece que te has metido de lleno en el «efecto mariposa».
Ánimo.
jueves 8 marzo, 2018 @ 9:34 am
petrus dice: ¿Es absolutamente exacto el 2 o solo es una aproximación hasta cierto decimal aún desconocido?
En el espacio tridimensional, si es homogéneo e isótropo, la lógica dice que debería ser exactamente 2.
Sea una masa puntual que genera una “propiedad” de magnitud “K” Esa propiedad se extiende por el espacio tridimensional a partir de la masa puntual. Si no hay puntos ni direcciones privilegiadas en el espacio que rodea a la masa, es de esperar que la intensidad de la propiedad que llega a cualquier punto de una esfera centrada en la carga sea la misma. Es decir, a una distancia “r” de la masa, la intensidad inicial “K” debe repartirse en una superficie esférica
S=4·pi·r^2
Por lo tanto, la intensidad “g” que siente cada punto situado a una distancia “r” debe ser
g(r)=K/(4·pi·r^2)
Con el exponente del radio exactamente 2
Si en esta última expresión haces
K=4·pi·G·M
Te queda
g(r)=G·M/r^2
Que es la conocida expresión de la intensidad newtoniana del campo gravitatorio. Observa que el mismo razonamiento aplicado al campo eléctrico generado por una carga electrostática, conduce a que también la intensidad del campo debe disminuir en el espacio 3D con el cuadrado exacto de la distancia.
Por el mismo razonamiento, en el espacio de 2 dimensiones plano, homogéneo e isótropo de tus simulaciones, la gravedad se extendería por ese espacio en circunferencias de longitud
L=2·pi·r
Con el exponente del radio exactamente 1 y no 2. Con ello la intensidad del campo gravitatorio en 2D sale
g(r)=G·M/r
Por otro lado, os dejo un enlace a información complementaria sobre este descubrimiento de la luz de las primeras estrellas del universo, que os podría resultar interesante:
http://forum.lawebdefisica.com/threads/40080-Detecci%C3%B3n-de-la-luz-de-las-primeras-estrellas-en-el-hidr%C3%B3geno-del-Universo-en-z-17?p=182079#post182079
Saludos.
jueves 8 marzo, 2018 @ 10:12 am
Homogéneo e isótropo, esa es la cuestión. El espacio, o el vacío, como se llame, no tenemos ni idea de en qué consiste, mas allá de que tiene al menos tres dimensiones sensibles y la flecha del tiempo, supongo, pero no sabemos que sea homogéneo o isótropo o que las dimensiones sean algo más que creaciones nuestras o… en el fondo, me temo que el cosmos es poco más o menos una ferretería virtual en la que se sirve cada ente a medida que se solicita y se provoca el colapso de su onda asociada. Mientras tanto, debe ser una especie de matrix virtual en stand by. O así lo veo…
jueves 8 marzo, 2018 @ 10:27 am
Hola , tomás: como ves, agudo observador como eres, yo soy más bien del «efecto ferretería»… ¿ me pueden poner un electrón, solo ?. un momento, por favor, el dependiente se pierde tras la puertecilla de su almacén, más allá del mostrador, pasa un cuanto de tiempo y: aquí tiene, monsieur Petrus, su electrón. Gracias. Como la vida misma.¿ o alguien cree que el universo está ahí siempre, gastando energía real sin utilidad a la espera de que se me ocurra a mí, precisamente, levantar la vista y mirarlo, cuando puede ser una entidad potencial, una especie de programa gestionando el conjunto de posibilidades que se harán sensibles solo cuando el usuario pulse la tecla adecuada, el ojo , por ejemplo? Lo malo para el ferretero es que de los 9.000.000.000 de hombres hay siempre un par de miles de millones mirando al cielo.
jueves 8 marzo, 2018 @ 4:39 pm
Esas ondas de radio procedentes del FCM tienen una longitud de onda de 21 cm. longitud que corresponde a la diferencia de energía entre dos niveles hiperfinos.Bien. ¿ Pero cuál es esa diferencia de energía? ¿ Es una diferencia con respecto a los niveles en la estructura fina?
jueves 8 marzo, 2018 @ 5:02 pm
Y otra duda. ¿ Hasta que límite o temperatura ( o energía) puede seguir siendo oscura la materia oscura de recibir una transferencia de energía térmica procedente de la materia barionica?
jueves 8 marzo, 2018 @ 5:51 pm
Supongo que lo que hace Albert en su comentario 8, al hablar de «una masa puntual que genera un ‘propìedad’de magnitud Ca » es comparar el electromagnetismo con la gravedad ya que ambas se rigen por una ley de la inversa del cuadrado de la distancia dado que la fuerza de Coulomb es matematicamente parecida a la gravedad, precisamente por esa ley del inverso del cuadrado de la distancia.En una ley hay atracción entre masas y en la otra entre cargas de signo opuesto.
viernes 9 marzo, 2018 @ 8:59 am
Me apunto al 9 de «petrus»: El Universo es homogéneo e isótropo a partir de una escala, e incluso creo que habría una zona de transición en la cual no sabríamos a qué atenernos; o hasta para unos fenómenos y medidas, si, pero no para otros/as.
Pasa como en otras muchas cosas. Por ejemplo la humanidad, somos de la misma especie Homo sapiens, pero si te acercas más ves hay diferencias por el color de la piel por ejemplo y, dentro de ello, hay blancos rubios, morenos, pelirrojos. O sea que también en esto hay escalas o distancias de observación.
viernes 9 marzo, 2018 @ 4:21 pm
Ese «apunte» al 9 de «petrus», no está exento de cierto riesgo, tomás. Si el Universo no fuera isótropo y homogéneo, significaría que hay una dirección privilegiada en el Universo.Por ahora no se ha encontrado esa dirección de privilegio.
Una saludo, amigo tomás.
sábado 10 marzo, 2018 @ 7:51 am
Querido Lluís: No creo que la existencia o no de una dirección privilegiada sea prueba de homogeneidad e isotropía. O, si lo fuere, también dependería de la escala. Basta fijarnos en el agua pura, con la polarización de su molécula. En el seno de una masa de ella las fuerzas eléctricas se compensan, pero si tomamos muy unas pocas moléculas, la cosa cambia. En el aire, más, al estar compuesto por distintos gases.
Un abrazo.
sábado 10 marzo, 2018 @ 12:09 pm
Querido Tomás: No sé hasta que punto esa comparación que estableces del agua pura con el universo puede ser significativa, si es que lo es. Si el Universo no fuera isótropo eso significaría que la Tierra o cualquier otro punto del cosmos podría tener un lugar preferencial en el mismo. Habría observadores privilegiados. Eso implica una violación del Principio Cosmológico.Desde luego sería una noticia, de darse esa violación, de alcance inimaginable.
un cordial saludo, amigo.
sábado 10 marzo, 2018 @ 12:19 pm
Se me olvidó algo, tomás.Aquí mismo, en Neofronteras, hay algun estudio que apunta a una posible violación del principio cosmológico. A grandes escalas también se descubrió un grupo de galaxias descomunal que parecía cuestionar la isotropía del universo. Pero, que yo sepa hasta el momento todo quedó en agua de borrajas. Lo que significa que el modelo cosmológico estándar, el Lambda-Cold Matter, sigue firme.
sábado 10 marzo, 2018 @ 4:48 pm
Estimado Luis:
Respecto a su 11, la energía es el producto de la constante de Planck por la frecuencia onda
E=hν
y esta es la velocidad de luz partido por la longitud de
ν=c/λ
Es decir, que la energía será:
E=hc/λ
Sólo hay que pasar 21cm a metros y meterlo como lambda para obtener la energía en julios.
En este caso, se trata de la diferencia de energía entre que los spines del electrón y del protón estén paralelos (más energía) o antiparalelos (menor energía posible).
sábado 10 marzo, 2018 @ 6:15 pm
Lluis: todos vemos que el FCM no es , aunque por poco, un espectro isótropo, sino que sus anomalías , se supone una vez más, serían las semillas de la anisotropía actual.
El modelo es bonito, pero cuando las cosas no funcionan como él predice, hay que cambiarlo. De hecho, si la uniformidad hubiera sido total, viviríamos en un universo probablemente muy aburrido, o en una sopa o niebla donde todo estaría homogéneamente distribuido en un espacio amorfo y nebuloso.
El universo es diverso, irregular, muchísimo a pequeñas escalas y temo que bastante a cualquier escala que se le considere, al menos hasta donde percibimos. No es aceptable definir como isótropo a algo hecho de subconjuntos anisótropos, a menos que creamos , la fe produce milagros, que los detalles no importan… Esa irregularidad está presente, y mucho, hasta en esta habitación. Y debe nacer de alguna condición interna esencial en la constitución del tejido más íntimo del espacio. Y una vez más, termino sin remedio filosofando… si nuestro universo fuera eterno , ya hubiera tenido que lograr, hace infinitos eones, el equilibrio final que parece buscar. Lleva camino de conseguir uno, suponemos, en otro BIG, sea Crunch, Rip, Boredom o cualquier otra variación posible o imposible. Mi amiga Entropía es partidaria del Bore pero no sabe si aguantará el Rip. Y como sabe que la T disminuye día a día , eso la intranquiliza mucho y acrecienta su complejo de gorda más y más. No sé qué come pero me temo que devora a escondidas bocadillos enormes de energía oscura y produce residuos inconfesables de materia ídem. Saludos.
domingo 11 marzo, 2018 @ 7:50 am
Más de acuerdo con el 20 de «petrus» que con tus 17-18, olvidándonos del agua, observando nuestro sistema solar o nuestra galaxia que, para nuestra Tierra, tiene unas dimensiones inmensas, las direcciones incluso de la luz varían de un lugar a otro. Pienso que esa homogeneidad y anisotropía son cuestiones filosóficas, muy relativas científicamente.
Un abrazo en el desacuerdo.
domingo 11 marzo, 2018 @ 5:32 pm
De acuerdo, Neo. Pero lo de los » niveles hiperfinos» ¿ se refiere a que los spines del electrón y del protón estén en paralelo o en antiparalelo?.
Para petrus: «semillas de la anisotropía» ¿ demuestra que el Universo es anisótropo? Supongo que cuando hablas de esas semillas te refieres a las estructuras cósmicos que se han formado por «apiñamiento gravitatorio». La cuestión es ¿ se podrían resolver las ecuacions de la Relatividad General si el universo fuera anisótropo e inhomogéneo?. Porque Einstein partió de la base de un universo isótropo y homogéneo para poner en marcha sus ecuaciones relativistas generalizadas.
Abrazos a todos y gracias por las aclaraciones y comentarios. Que sean de desacuerdo, tomás, es casi un principio en ciencia.
domingo 11 marzo, 2018 @ 8:31 pm
La radiación de 1420 MHz, viene de la transición entre los dos niveles 1s del estado fundamental del hidrógeno, ligeramente divididos por la interacción entre el espín del electrón y el espín nuclear. Esta división se conoce como estructura hiperfina. Debido a las propiedades cuánticas de la radiación, el hidrógeno en su estado inferior absorbe 1420 MHz, y la observación de los 1420 MHz en la emisión, implica una excitación previa a un estado superior.
O sea ya lo tengo. Eso es lo que se conoce como estructura hiperfina. Y esos 1420 MHz, se corresponden con los 21 cms de la longitud de onda dciha.
Con esto ya se puede tener por no formulada la pregunta de mi comentario último.
lunes 12 marzo, 2018 @ 1:32 am
Estimado Lluis:
La FCM tiene una perfil de cuerpo negro, así que emite en muchas frecuencias, aunque tenga un pico de emisión máximo.
El Universo es homogéneo e isótropo a partir de cierta escala. De momento de mantiene el modelo cosmológico tradicional.
Einstein necesito usar el principio cosmológico porque de otro modo no es posibles resolver analíticamente las ecuaciones de la RG. habría que usar una resolución numérica si el Universo no fuese homogéneo e isótropo.
lunes 12 marzo, 2018 @ 7:21 am
Por supuesto, Lluís; nada hay de malo en el desacuerdo. Muchas veces la ciencia ha progresado gracias a él.
Creo que puedo afinar la última frase de Neo: «… habría que usar una resolución numérica si ‘al Universo no se le supusiese’ homogéneo e isótropo». Y mil perdones si me equivoco.