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 [1]
Fuentes y referencias:
Artículo original 1. [2]
Artículo original 2. [3]
Ilustración de cabecera: N.R.Fuller, National Science Foundation
Foto: CSIRO Australia.