¿Los astrónomos determinan cuándo ocurrirá el "amanecer cósmico"?

Ilustración: Esta es una imagen proporcionada por la Agencia Espacial Europea que representa la Época de la Reionización. Presentados de izquierda a derecha: la luz más antigua del universo, las estrellas más antiguas y el proceso de reionización de las galaxias más antiguas.

Los astrónomos han encontrado una reliquia cósmica del principio de los tiempos, que muestra la luz del inicio de la vida de las estrellas más antiguas. La investigación también revela una pista fascinante sobre cómo la materia oscura afectó al universo primitivo.

Antes de discutir qué es esa ruina, debemos remontarnos al evento del Big Bang hace 138 billones de años. En ese momento, el universo era un plasma caliente y arremolinado, una masa densa de partículas altamente cargadas (o altamente ionizadas). A medida que este plasma se enfrió, el universo continuó expandiéndose y el hidrógeno neutro (el átomo más básico formado por un protón y un electrón) se formó unos 370.000 años después del nacimiento del universo. Con el tiempo, estos gases neutros de hidrógeno se juntaron bajo la influencia de la gravedad para formar las estrellas más antiguas que emiten rayos X de alta energía.

Sin embargo, todavía es una pregunta abierta cuándo ocurrió exactamente el "amanecer del universo". Ha pasado tanto tiempo que la primera luz de esas antiguas estrellas en su infancia era demasiado débil para ser observada incluso por los observatorios más avanzados.

Una antena de radio del tamaño de una nevera ubicada en Australia Occidental podría ayudarnos a resolver la polémica. Este equipo se utiliza en el Experimento para Detectar la Época Global de Firma de Reionización (EDGES). En el proceso de búsqueda del amanecer del universo, los investigadores de este proyecto también están ocupados explorando otra fuente de radiación antigua: el fondo cósmico de microondas (CMB). Este tipo de radiación, conocida como "brasas del big bang", está en todas partes del universo y puede detectarse, lo que facilita a los humanos la exploración de los primeros días del universo.

La señal crucial: el “canal”

Nos remonta a los primeros días del universo. Cuando nacieron las primeras estrellas, los fotones del fondo cósmico de microondas atravesaron el hidrógeno neutro interestelar, y en estos fotones también quedarían incrustadas huellas del nacimiento de nuevas estrellas. Esta señal fue descubierta por los astrónomos decenas de miles de millones de años después y muestra una apariencia de "valle" en una frecuencia específica.

"Esta es la primera vez que hemos visto una señal tan antigua en el universo distinta a las 'brascas del big bang'", dijo a Nature el astrónomo Judd Bowman, que trabaja en la Universidad Estatal de Arizona en Estados Unidos. , quien dirigió el estudio publicado en la revista Nature el 28 de febrero.

Encontrar esta señal no es fácil. Los investigadores pasaron dos años confirmando repetidamente sus hallazgos, tratando de determinar si esta señal realmente representaba el amanecer del universo o simplemente una interferencia de ruido de nuestra galaxia. Para ello, incluso se esforzaron en bloquear las señales de los humanos cerca de la Tierra. Interferencias de radio activas.

"Después de dos años, pasamos todas las pruebas y no pudimos encontrar ninguna otra explicación posible", dijo Bowman. "Fue entonces cuando empezamos a entusiasmarnos". La señal aparece a una frecuencia de 78 megahercios, apareciendo como un "depresión" en la energía de la radiación cósmica de fondo de microondas. La razón es que la radiación de rayos X de alta energía de las primeras estrellas cambió el comportamiento del hidrógeno interestelar neutro. A medida que los fotones del CMB pasan a través de este gas de hidrógeno, esta radiación también absorbe frecuencias específicas. En lugar de observar una frecuencia de emisión específica, los astrónomos buscaron tipos específicos de frecuencias de absorción o piezas faltantes del CMB. Esta "depresión" sólo puede ser causada por los rayos X expulsados ​​por las primeras estrellas.

Ilustración: Esta imagen detallada de todo el cielo del universo temprano fue producida por la Sonda de Anisotropía de Microondas Wilkinson (WMAP) de la NASA. Los diferentes colores representan fluctuaciones de temperatura asociadas con los progenitores de las galaxias en el universo.

A medida que el universo se fue expandiendo, esta banda de absorción también se expandió. Entonces, al medir con precisión hasta qué punto se extiende la depresión, los investigadores también pueden calcular su edad. Armados con este conocimiento, podemos descubrir que las primeras estrellas nacieron 180 millones de años después del Big Bang. Además, también podremos registrar el momento concreto en el que se corta la señal.

Las vidas de estas primeras estrellas fueron difíciles y cortas, ardían violenta y brillantemente como supernovas y luego morían rápidamente. Estas grandes cantidades de estrellas que murieron una tras otra produjeron rayos X muy potentes, que aumentaron la temperatura del hidrógeno neutro circundante e interrumpieron la banda de frecuencia de absorción específica del fondo cósmico de microondas. Todo esto ocurrió 250 millones de años después del Big Bang. Esta investigación nos abre una ventana para ver el amanecer del universo. Podemos saber que el amanecer del universo comenzó 180 millones de años después del Big Bang y terminó después de 70 millones de años. Este período representa la primera tanda de vida corta. .

Esta arqueología cósmica ha revolucionado nuestra visión de las primeras etapas del universo. Estas primeras estrellas eran como fábricas que producían en masa el primer lote de elementos pesados, nutriendo nuestro universo con diversos elementos. florecer y crecer. Se crearon elementos cada vez más pesados, que finalmente formaron una amplia gama de cuerpos celestes, planetas y, en última instancia, vida. Este período crítico es, por tanto, la etapa embrionaria de la diversificación cosmoquímica.

"Este es un paso muy importante si queremos comprender el comienzo del universo".

La materia oscura también está implicada.

Este trabajo también ha arrojado algunos descubrimientos inesperados.

En otro estudio basado en la señal de fondo cósmica de microondas, otro equipo de investigación notó que la depresión a 78 MHz también era significativa. Aunque representa sólo una caída de energía del 0,1, es dos veces más potente que las predicciones teóricas. En otras palabras, en los albores del universo había más radiación de la que predijimos, o algo enfrió el hidrógeno neutro. Si esta última explicación resulta ser correcta, entonces lo que enfría el hidrógeno neutro podría ser materia oscura.

Todos sabemos que teóricamente la materia oscura constituye la mayor parte de la masa del universo. A través de mediciones indirectas, los astrónomos saben que existe materia oscura, pero no pueden "verla" directamente. La materia oscura interactúa tan débilmente que sólo podemos detectar su atracción gravitacional. La "depresión" en el fondo cósmico de microondas puede usarse como señal del papel de la materia oscura cuando nacieron las primeras estrellas. Teóricamente se especula que la temperatura de la materia oscura era relativamente baja en ese momento.

Las cosas se pondrían más interesantes si esto pudiera demostrarse. Si la profundidad de esta "depresión" se ve amplificada por la materia oscura más fría, significa que las partículas de materia oscura son más pequeñas de lo que predicen los modelos actuales. En otras palabras, esta investigación podría ayudar a mejorar la búsqueda de materia oscura y explicar por qué los científicos aún no han descubierto qué es realmente.

"Si se confirma esta idea, podremos aprender algunas cosas nuevas fundamentales sobre la materia oscura, que representa el 85% de la masa del universo", dijo Bowman: "Podremos ver el modelo estándar para la materia oscura". "Física extraordinaria".

Estos hallazgos son sin duda importantes y podrían aportar una perspectiva revolucionaria a nuestra visión del universo, pero los investigadores señalan que esto es sólo el comienzo de muchos años de investigación enfocada. . Ante el descubrimiento de esta "valle", otras estaciones astronómicas también han reajustado sus equipos para estudiar esta interesante frecuencia, como el proyecto Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA) construido en el desierto de Karoo en Sudáfrica.

El Proyecto Europeo de Conjuntos de Baja Frecuencia (LOFAR) espera ir un paso más allá y mapear cómo cambia la señal en el cielo. Si la materia oscura puede reforzar esta señal, los astrónomos podrían ver patrones claros.

Aunque aún queda un largo camino por recorrer para resumir toda la evidencia en nuevos descubrimientos revolucionarios, los resultados hasta el momento son prometedores: los astrónomos no sólo han abierto una puerta para ver los albores del universo, sino que también proporcionan pistas para descubrirlo. entender el origen de la materia oscura.

Curiosidades:

El ritmo al que se expande el universo (denominado constante de Hubble en honor al astrónomo Edwin Hubble) se ha producido en las décadas transcurridas desde que se propuso el cambio. La velocidad actual se considera de 73 kilómetros por segundo por megaparsec. Un millón de pársecs equivale aproximadamente a 3,3 millones de años luz.

Materiales de referencia

1. Enciclopedia Wikipedia

2. Términos de astronomía

3. Chen Mengnan-howstuffworks

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