Cuándo nace una estrella: detectan los primeros efectos de la luz estelar

En el universo era de mañana, y hacía mucho más frío de lo que cualquiera habría imaginado cuando la primera luz de las estrellas empezó a titilar en ese entorno de sombras insondables, hace 14.000 millones de años.

El miércoles, un grupo de astrónomos australianos informó que a través de un pequeño radiotelescopio habían identificado los efectos de las primeras luces estelares, cuando el universo tenía apenas 180 millones de años de edad. Esas observaciones llevan a los astrónomos incluso más atrás en el tiempo de lo que puede observar el Telescopio Espacial Hubble, y suscita interrogantes sobre lo que realmente se sabe de los primeros días del cosmos y sobre la naturaleza de la misteriosa así llamada “materia negra”, cuya gravedad da forma a las luminosas galaxias.

“Hemos observado evidencias indirectas de las primerísimas estrellas del universo, astros que se habrían formado cuando el cosmos tenía apenas 180 millones de edad”, dice Judd Bowman, de la Universidad Estatal de Arizona, líder de un experimento destinado a detectar la era de reionización global conocido como EDGES. Bowman y sus colegas publicaron sus resultados en la edición de la revista Nature aparecida el miércoles.

La presencia de las estrellas se manifestó a sí misma en un barrido de ondas de radio, como una llamativa disminución de la intensidad de las microondas cósmicas, que son los restos del fuego de la mismísima creación. Esa disminución implica que la energía cósmica estaba siendo absorbida por las nubes de hidrógeno primigenias que cubrían el universo como una niebla, pero cuyo equilibrio atómico se vio súbitamente trastocado por el estallido de la luz.

La presencia de esa caída en una de las características de la longitud de onda del hidrógeno confirmó las predicciones anteriores hechas con simulaciones sobre el modo y el momento en que nacieron las estrellas. Pero lo pronunciado de esa caída y el momento de esa absorción de energía fue una verdadera sorpresa, ya que sugiere que la temperatura de ese gas que poblaba el cosmos era apenas la mitad de la calculada anteriormente los por astrónomos: apenas unos 3 kelvin por encima del cero absoluto, que es de 273 grados Celsius bajo cero.

“Es algo difícil de explicar si uno se basa en los conocimientos actuales y en los supuestos que manejamos sobre los procesos astrofísicos de los albores del universo”, dice Bowman.

Según Rennan Barkana, de la Universidad de Tel Aviv, una posibilidad es que el hidrógeno primordial se haya enfriado por interacción con la materia oscura que también está difundida por todo el cosmos.

“De ser cierto, sería la primera pista de las propiedades de la materia oscura, más allá de su atracción gravitacional, que es lo que nos permite inferir su existencia”, dice Barkana, quien publicó esta idea en un informe anexo en Nature.

El funcionamiento de todo esto es resultado de una sutil danza de la física atómica y la termodinámica: el estudio del calor. En esos primeros días, antes de que se encendieran las estrellas, el universo era una nube de hidrógeno y helio que se había sintetizado durante los primeros tres minutos del tiempo y que a continuación se bañaba en los últimos calores del Big Bang.

En el espacio vacío, el hidrógeno tiende a emitir ondas de radio de la longitud de onda de 21 centímetros. Al principio, el gas y las microondas estaban en sintonía, y el hidrógeno emitía tanto como lo que recibía de ese fondo de baño de radiación.

Pero cuando empezaron a encenderse las estrellas, su radiación ultravioleta alteró los niveles de energía de los electrones de los átomos de hidrógeno, desfasando esa sincronía con las microondas, o “desacoplándolas”, como se dice en la jerga de la física. Como el gas ya estaba físicamente mucho más frío que la radiación, empezó a absorber las ondas de 21 centímetros del fondo cósmico, generando un déficit, o caída.

La sorpresa fue descubrir la magnitud de esa caída, y cuánto más frío estaba el hidrógeno de lo que los cosmólogos habían imaginado.

Llega la materia oscura fría

“El único elemento cósmico que puede ser más frío en los gases cósmicos primordiales es la materia oscura”, escribió Barkana en su informe para Nature.

En base a su efecto gravitacional sobre las estrellas y las galaxias, los astrónomos saben que la materia oscura representa alrededor de una cuarta parte del peso total del universo, muchísimo más que la materia atómica. La explicación más aceptada es que se trata de nubes de partículas subatómicas remanentes del Big Bang. Las llaman “wimp”, partículas masivas de interacción débil, y su masa es ciento de veces mayor que la de un átomo de hidrógeno. Como la masa de esas partículas es tan grande, también son lentas, o “frías” en jerga científica.

En teoría, millones de ellas atraviesan nuestro cuerpo y todo lo demás a cada instante. Pero en las últimas tres décadas, los intentos cada vez más precisos para detectar esas partículas han fallado, y los teóricos empiezan a evaluar otros complicados modelos de análisis para explicar eso que llaman “el sector oscuro”.

Pero estas recientes observaciones del proyecto EDGES podrían abrir una puerta hacia ese reino oscuro, y cualquier avance en la identificación de la materia oscura tiene el potencial de revolucionar la física de partículas.

La idea de que la materia oscura haya podido enfriar el hidrógeno primordial podría implicar que las partículas de materia oscura son apenas unas pocas veces más pesadas que los átomos de hidrógeno, “muy por debajo de la comúnmente predicha masa de las partículas masivas de interacción débil”, dice Barkana en su informe para Nature.

Eso significaría que los radioastrónomos han encontrado la forma de entender la materia oscura.

De nada de esto hay certezas. Por ahora. Tanto Bowman como Barkana recalcan que las observaciones deben ser confirmadas por otros experimentos y a través de otros instrumentos. Los resultados del proyecto EDGES son un promedio de observaciones realizadas en todo el cielo. Pero hay otros proyectos en curso, como el Square Kilometer Array en Australia y Sudáfrica, que permitirán medir las temperaturas discrepantes en diversas partes del cielo y así rastrear la evolución diferente de las materias luminosa y oscura.

(Traducción de Jaime Arrambide)