Logran discernir cuáles fueron las galaxias del 'amanecer cósmico'
Astrónomos han discernido una señal clave cuya ausencia permite determinar cuáles fueron y cuáles no fueron las primeras galaxias que existieron, en un estudio del denominado 'amanecer cósmico'.
Utilizando los datos del radiotelescopio SARAS3 de la India, un equipo internacional de investigadores dirigido por la Universidad de Cambridge (Reino Unido) han podido observar el Universo primitivo -apenas 200 millones de años después del Big Bang- y poner límites a la masa y la energía de las primeras estrellas y galaxias. De forma contraintuitiva, los investigadores pudieron establecer estos límites en las primeras galaxias al no encontrar la señal que buscaban, conocida como la línea de hidrógeno de 21 centímetros. Publican resultados en Nature Astronomy.
Esta no detección permitió a los investigadores hacer otras determinaciones sobre el amanecer cósmico, poniendo límites a las primeras galaxias, lo que les permitió descartar escenarios que incluían galaxias que eran calentadores ineficientes de gas cósmico y productores eficientes de emisiones de radio. Aunque todavía no se podueden observar directamente estas primeras galaxias, los resultados representan un paso importante para entender cómo nuestro Universo pasó de estar mayoritariamente vacío a estar lleno de estrellas.
Comprender el Universo primitivo, cuando se formaron las primeras estrellas y galaxias, es uno de los principales objetivos de los nuevos observatorios. Los resultados obtenidos con los datos de SARAS3 son una prueba de concepto que allana el camino para comprender este periodo del desarrollo del Universo.
El proyecto SKA -que incluye dos telescopios de nueva generación cuya finalización está prevista para finales de la década- probablemente podrá tomar imágenes del Universo primitivo, pero para los telescopios actuales el reto es detectar la señal cosmológica de las primeras estrellas reairiadas por las nubes de hidrógeno espesas.
Esta señal se conoce como la línea de 21 centímetros, una señal de radio producida por los átomos de hidrógeno en el Universo primitivo. A diferencia del recién lanzado JWST, que podrá obtener imágenes directas de galaxias individuales del Universo primitivo, los estudios de la línea de 21 centímetros, realizados con radiotelescopios como el REACH (Experimento de Radio para el Análisis del Hidrógeno Cósmico), dirigido por Cambridge, pueden informarnos sobre poblaciones enteras de galaxias aún más tempranas. Se esperan los primeros resultados de REACH a principios de 2023.
Para detectar la línea de 21 centímetros, los astrónomos buscan una señal de radio producida por los átomos de hidrógeno en el Universo primitivo, afectados por la luz de las primeras estrellas y la radiación que hay detrás de la niebla de hidrógeno. A principios de este año, los mismos investigadores desarrollaron un método que, según dicen, les permitirá ver a través de la niebla del universo primitivo y detectar la luz de las primeras estrellas. Algunas de estas técnicas ya se han puesto en práctica en el estudio actual.
En 2018, otro grupo de investigación que opera el experimento EDGES publicó un resultado que insinuaba una posible detección de esta luz más temprana. La señal reportada era inusualmente fuerte en comparación con lo que se espera en la imagen astrofísica más simple del Universo temprano. Recientemente, los datos de SARAS3 refutaron esta detección: el resultado de EDGES sigue esperando la confirmación de observaciones independientes.
En un nuevo análisis de los datos de SARAS3, el equipo dirigido por Cambridge probó una serie de escenarios astrofísicos que podrían explicar el resultado de EDGES, pero no encontraron una señal correspondiente. En cambio, el equipo pudo establecer algunos límites en las propiedades de las primeras estrellas y galaxias.
Los resultados del análisis de SARAS3 son la primera vez que las observaciones de radio de la línea de 21 centímetros promediada han podido proporcionar una visión de las propiedades de las primeras galaxias en forma de límites de sus principales propiedades físicas.
El equipo de Cambridge, que trabaja con colaboradores de la India, Australia e Israel, utilizó los datos del experimento SARAS3 para buscar señales del amanecer cósmico, cuando se formaron las primeras galaxias. Utilizando técnicas de modelización estadística, los investigadores no pudieron encontrar ninguna señal en los datos de SARAS3.
"Buscábamos una señal de cierta amplitud --explica Harry Bevins, estudiante de doctorado del Laboratorio Cavendish de Cambridge y autor principal del artículo--. Pero al no encontrar esa señal, podemos poner un límite a su profundidad. Eso, a su vez, empieza a informarnos sobre el brillo de las primeras galaxias".
"Nuestro análisis ha demostrado que la señal de hidrógeno puede informarnos sobre la población de las primeras estrellas y galaxias --destaca la coautora, doctora Anastasia Fialkov, del Instituto de Astronomía de Cambridge--. Nuestro análisis pone límites a algunas de las propiedades clave de las primeras fuentes de luz, incluyendo las masas de las primeras galaxias y la eficiencia con la que estas galaxias pueden formar estrellas. También abordamos la cuestión de la eficiencia con la que estas fuentes emiten radiación de rayos X, radio y ultravioleta".
"Este es un primer paso para nosotros en lo que esperamos sea una década de descubrimientos sobre cómo el Universo pasó de la oscuridad y el vacío al complejo reino de las estrellas, las galaxias y otros objetos celestes que podemos ver desde la Tierra hoy en día", resalta el doctor Eloy de Lera Acedo, del Laboratorio Cavendish de Cambridge, que codirigió la investigación.
El estudio observacional, el primero de este tipo en muchos aspectos, excluye los escenarios en los que las primeras galaxias eran más de mil veces más brillantes que las galaxias actuales en su emisión en la banda de radio y eran pobres calentadores de gas hidrógeno.
"Nuestros datos también revelan algo que se había insinuado antes, y es que las primeras estrellas y galaxias podrían haber tenido una contribución medible a la radiación de fondo que apareció como resultado del Big Bang y que ha estado viajando hacia nosotros desde entonces --explica De Lera Acedo--. También estamos estableciendo un límite a esa contribución".
"Es increíble poder mirar tan atrás en el tiempo -hasta sólo 200 millones de años después del Big Bang- y poder aprender sobre el Universo primitivo", concluye Bevins.
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