Un nuevo análisis sugiere que el cosmos no estaba helado cuando surgieron las primeras estrellas, lo que descarta la teoría de la reionización a temperaturas extremadamente bajas.
Después del Big Bang, el universo era como una sopa caliente de partículas subatómicas (protones, neutrones y electrones). Cuando el universo comenzó a enfriarse, los protones y los neutrones empezaron a combinarse en átomos ionizados de hidrógeno (y, finalmente, algo de helio). Estos átomos ionizados de hidrógeno y helio atrajeron a los electrones, convirtiéndolos en átomos neutros, lo que permitió que la luz viajara libremente por primera vez, ya que esta luz ya no se dispersaba con los electrones libres. Este es el llamado Amanecer Cósmico.
El Amanecer Cósmico ocurre aproximadamente entre 50 millones y 1.000 millones de años después del Big Bang, y es cuando se formaron las primeras estrellas, galaxias y agujeros negros, poniendo fin a la Edad Oscura Cósmica e iniciando la Época de la Reionización, a medida que el hidrógeno neutro se ionizaba. Los astrónomos estudian esta era detectando la radiación débil y de longitud de onda larga de estos primeros objetos luminosos, en particular utilizando radiotelescopios de baja frecuencia que pueden observar la radiación del hidrógeno que nos llega desde el pasado en la radiación de fondo, el eco de los primeros tiempos de nuestro universo.
La progresión de las imágenes MWA (arriba), comenzando con el ruido de radio procedente de fuentes en primer plano (izquierda), interferencias locales (centro) y, finalmente, la imagen silenciosa y «limpia» (derecha). (Nunhokee et al/ICRAR/Universidad Curtin)
Para estudiar la Época de la Reionización se busca la línea del hidrógeno, una señal de radio de 21 centímetros que atraviesa nubes que bloquean la luz visible. Telescopios como la Murchison Widefield Array, en Australia Occidental, intentan extraer esa señal entre un mar de interferencias locales y galácticas. Pero ha habido una sorpresa. Un nuevo trabajo concluye que el gas intergaláctico ya estaba algo caliente, posiblemente por rayos X de fuentes tempranas, antes de que la reionización avanzara. En otras palabras, el universo se había precalentado, como un horno antes de meter el bizcocho.
El hallazgo desafía la idea de que la reionización se produjo en condiciones extremadamente frías. Si el gas estuviera tan helado como se pensaba, las propiedades de la señal de 21 centímetros que se busca deberían ajustarse a modelos de baja temperatura. Los resultados no encajan con ese cuadro. Señalan un calentamiento mínimo pero significativo, suficiente para descartar una reionización muy fría.
El universo precalentado
La línea de 21 centímetros del hidrógeno podría revelar cómo era el cosmos antes y durante el encendido de las primeras fuentes de luz. En ausencia de estrellas, la materia estaba compuesta sobre todo de hidrógeno neutro que absorbía y dispersaba la luz más energética. Observar esa señal no es sencillo. El cielo de radio está lleno de emisiones más intensas que la ocultan. Las galaxias cercanas y sus remanentes, la propia atmósfera terrestre y el instrumental del telescopio añaden ruido que debe eliminarse con extremo cuidado. La Murchison Widefield Array, situada en una zona remota de Australia Occidental, se diseñó para minimizar esas molestias, pero aun así la limpieza de datos resulta decisiva.
“Conforme el universo evoluciona, el gas entre galaxias se expande y enfría, así que esperaríamos que fuese muy, muy frío”, explica Cathryn Trott, radioastrónoma y responsable del proyecto sobre la Época de la Reionización en el ICRAR. “Nuestras mediciones muestran que al menos está calentado en cierta medida. No por mucho, pero nos dice que una reionización muy fría queda descartada. La investigación sugiere que este calentamiento se debe probablemente a la energía de fuentes tempranas de rayos X de agujeros negros primitivos y restos estelares que se extendieron por el universo”.
La interpretación encaja con lo que se sabe sobre las primeras generaciones estelares. Las primeras estrellas, masivas y de vida breve, emitían torrentes de luz ultravioleta. Sus explosiones sembraron el medio con elementos y dejaron atrás agujeros negros que, al devorar materia, lanzaban rayos X al entorno. Esa radiación puede calentar el gas en grandes volúmenes, incluso antes de que la reionización, el proceso de liberar electrones del hidrógeno, esté completa.
El equipo trabajó con imágenes y espectros de la MWA que cubren una amplia parte del cielo. La estrategia consistió en modelar y sustraer con precisión todas las señales más brillantes, las llamadas señales de primer plano. Solo así podría emerger el débil rastro de la línea de 21 centímetros. La progresión de imágenes ilustra ese proceso, desde el mapa dominado por fuentes cercanas, pasando por la mitigación de interferencias locales, hasta una imagen “limpia” donde la estadística fina permite imponer límites a la señal buscada.
“Estas incluyen emisiones de estrellas y galaxias próximas, interferencias de la atmósfera terrestre e incluso ruido generado por el propio telescopio. Solo tras restar con cuidado estas ‘señales de primer plano’, los datos restantes revelarán señales de la Época de la Reionización”, señala Ridhima Nunhokee, radioastrónoma del ICRAR.
“Con esta investigación hemos desarrollado métodos para manejar la contaminación de primer plano y restar las señales que no queremos, pero también para comprender mejor nuestro telescopio y obtener una señal limpia. Además, hemos podido integrar alrededor de 10 años de datos de la MWA, para observar el cielo durante más tiempo que nunca”.
Aunque el trabajo todavía no ha descubierto de forma directa la ansiada línea del hidrógeno, la cantidad y calidad de los datos estrechan el cerco. Los límites que se imponen a la amplitud de la señal son ya lo bastante rigurosos para informar sobre la temperatura del gas en ese periodo. De ahí la conclusión del precalentamiento, un resultado que afina los modelos sobre el amanecer cósmico.
El siguiente paso será ampliar el esfuerzo con nuevas instalaciones de radio. La propia MWA continuará acumulando horas de cielo y mejorando su calibración. Además, otros radiotelescopios de baja frecuencia entrarán en acción en los próximos años, lo que incrementará la sensibilidad y el control de sistemáticos. Cada mejora en limpieza y tiempo de integración acerca la señal a la superficie.
“La señal está definitivamente enterrada ahí. Se trata de mejorar nuestros datos y conseguir más datos, datos más limpios, para alcanzarla”, afirma Nunhokee.
La imagen que emerge no es la de un universo congelador, sino la de un medio intergaláctico templado por fuentes energéticas tempranas. Ese calor, aunque discreto, cambia la narrativa sobre cómo y cuándo la luz abrió paso en la oscuridad. Con paciencia y buen oído de radio, la historia completa debería terminar por escucharse.
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