Una antena de radio en Australia ha captado señales débiles de gas de hidrógeno del universo 180 millones de años después del Big Bang, la evidencia más temprana de hidrógeno observada.

Astrónomos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y la Universidad Estatal de Arizona también determinaron que el gas estaba en un estado que hubiera sido posible solo en presencia de las primeras estrellas.

Estas estrellas, parpadeando por primera vez en un universo que anteriormente carecía de luz, emitieron radiación ultravioleta que interactuaba con el gas de hidrógeno circundante. Como resultado, los átomos de hidrógeno en todo el universo comenzaron a absorber radiación de fondo, un cambio fundamental que los investigadores pudieron detectar en forma de ondas de radio.

Primeras estrellas

Los hallazgos, que se publican en Nature, proporcionan evidencia de que las primeras estrellas pueden haber comenzado a encenderse alrededor de 180 millones de años después del Big Bang.

"Es la primera señal real de que las estrellas comienzan a formarse y empiezan a afectar al medio que las rodea" afirma en un comunicado el coautor del estudio Alan Rogers, científico del Observatorio Haystack del MIT. Lo que está sucediendo en este periodo es que parte de la radiación de las primeras estrellas está comenzando a permitir que se vea hidrógeno. Está haciendo que el hidrógeno comience a absorber la radiación de fondo, por lo que se empieza a ver en silueta, a frecuencias de radio particulares".

Ciertas características en las ondas de radio detectadas también sugieren que el gas de hidrógeno y el universo en su conjunto deben haber sido dos veces más fríos que lo que habían estimado previamente los científicos, con una temperatura de alrededor de 3 kelvins o -454 grados Fahrenheit. Rogers y sus colegas no están seguros de por qué el universo temprano fuera mucho más frío, pero algunos astrónomos han sugerido que las interacciones con la materia oscura pueden haber jugado algún papel.

Colin Lonsdale, director del Observatorio Haystack, plantea que "estos resultados requieren algunos cambios en nuestra comprensión actual de la evolución temprana del universo". Afectaría a los modelos cosmológicos y requeriría que los teóricos volvieran a poner sus límites de pensamiento para descubrir cómo sucedería eso". Los coautores de Rogers son el autor principal Judd Bowman, de la Universidad Estatal de Arizona (ASU, por sus siglas en inglés), en Estados Unidos, junto con Thomas Mozdzen, Nivedita Mahesh y Raul Monsalve, de la Universidad de Colorado, Estados Unidos.

Los científicos detectaron el gas de hidrógeno primordial usando EDGES ('Experiment to Detect Global EoR Signature'), una pequeña antena de radio terrestre ubicada en el oeste de Australia, financiada por la Fundación Nacional de Ciencia. Las antenas y porciones del receptor fueron diseñadas y construidas por Rogers y el equipo del observatorio Haystack.

Por su parte, Bowman, Monsalve y el equipo de ASU agregaron un sistema automático de antenas de medición de reflexión al receptor, equiparon una caseta de control con la electrónica, construyeron el plano de tierra y dirigieron el trabajo de campo para el proyecto. La Organización de Investigación Científica e Industrial de Commonwealth en Australia proporcionó la infraestructura in situ para el proyecto EDGES.

La versión actual de EDGES es el resultado de años de interación de diseño y calibración de instrumentos para alcanzar los niveles de precisión necesarios para lograr con éxito una medición extremadamente difícil. El instrumento fue diseñado originalmente para recoger las ondas de radio emitidas desde un momento en la historia del universo conocido como la Época de reionización, o EoR. Se cree que durante este periodo aparecieron en el universo las primeras fuentes luminosas, como estrellas, cuásares y galaxias, lo que provocó que el medio intergaláctico previamente neutro, compuesto principalmente de gas de hidrógeno, se ionizara.

"Como escuchar el aleteo de un colibrí en un huracán"

Antes de la aparición de las primeras estrellas, el universo estaba envuelto en la oscuridad, y el hidrógeno, su elemento más abundante, era prácticamente invisible, encarnando un estado de energía que era indistinguible de la radiación de fondo cósmico circundante.

Los científicos creen que cuando las primeras estrellas se activaron, proporcionaron radiación ultravioleta que causó cambios en la distribución de los estados de energía de los átomos de hidrógeno. Estas modificaciones hicieron que el electrón individual del hidrógeno girara en alineación o frente al giro de su protón, provocando que el hidrógeno en su conjunto se "desacoplara" de la radiación de fondo.

Como resultado, el gas de hidrógeno comenzó a emitir o absorber esa radiación, a una longitud de onda característica de 21 centímetros, equivalente a una frecuencia de 1.420 megahercios. A medida que el universo se expandió con el tiempo, esta radiación se "desplazó hacia el rojo" a frecuencias más bajas. En el momento en que esta radiación de 21 centímetros alcanzó la Tierra actual, aterrizó en algún lugar en el rango de los 100 megahercios.

Rogers y sus colegas han estado utilizando EDGES para tratar de detectar el hidrógeno que existía durante la evolución muy temprana del universo, con el fin de determinar cuándo se activaron las primeras estrellas. "Hay un gran desafío técnico para hacer esta detección", afirma Peter Kurczynski, director del programa de Tecnologías Avanzadas e Instrumentación en la División de Ciencias Astronómicas de la Fundación Nacional de Ciencia, que ha proporcionado fondos para el proyecto en los últimos años.

"Las fuentes de ruido pueden ser mil veces más brillantes que la señal que están buscando. Es como estar en medio de un huracán e intentar escuchar el aleteo de un colibrí", añade. El instrumento, del tamaño de una mesa pequeña, se encuentra en una remota región del oeste de Australia donde hay muy pocas señales de radio hechas por humanos que interfieran con las ondas de radio entrantes del universo distante. La antena detecta ondas de radio de todo el cielo, y los investigadores la sintonizaron originalmente para escuchar en un rango de frecuencia de 100 a 200 megahercios.

Sin embargo, cuando los investigadores miraban dentro de este rango, inicialmente no captaban gran parte de cualquier señal. Se dieron cuenta de que los modelos teóricos habían predicho que el hidrógeno primordial debería emitir emisiones dentro de este rango si el gas estaba más caliente que el medio circundante. Pero, ¿y si el gas estuviera de hecho más frío? Los modelos predicen que el hidrógeno debería absorber la radiación más fuertemente en el rango de frecuencia de 50 a 100 megahercios.

"Tan pronto como cambiamos nuestro sistema a este rango inferior, comenzamos a ver cosas que sentimos que podrían ser una huella real", dice Rogers. Específicamente, los investigadores observaron un perfil de absorción aplanada, o un chapuzón en las ondas de radio, a alrededor de 78 megahercios. "Vemos este descenso con mayor fuerza a aproximadamente 78 megahercios, y esa frecuencia corresponde a aproximadamente 180 millones de años después del Big Bang, dice Rogers. En términos de detección directa de una señal del propio gas de hidrógeno, esto tiene que ser el más temprano".

La caída en las ondas de radio fue más fuerte y más profunda que lo que predijeron los modelos teóricos, lo que sugiere que el gas de hidrógeno en ese momento era más frío que lo que se había pensado previamente. El perfil de las ondas de radio también coincide con las predicciones teóricas de lo que se produciría si las primeras estrellas influyeran en el hidrógeno.

"La firma de esta característica de absorción se asocia de forma única con las primeras estrellas, señala Lonsdale. Esas estrellas son la fuente más plausible de radiación que produciría esta señal".