Astrónomos desarrollan nueva forma de «ver» las primeras estrellas

Un equipo de astrónomos ha desarrollado un método que les permitirá «ver» a través de la niebla del Universo primitivo y detectar la luz de las primeras estrellas y galaxias, según publican en la revista ‘Nature Astronomy’.

Los investigadores, dirigidos por la Universidad de Cambridge (Reino Unido), han desarrollado una metodología que les permitirá observar y estudiar las primeras estrellas a través de las nubes de hidrógeno que llenaban el Universo unos 378.000 años después del Big Bang.

Observar el nacimiento de las primeras estrellas y galaxias ha sido un objetivo de los astrónomos durante décadas, ya que ayudará a explicar cómo evolucionó el Universo desde el vacío posterior al Big Bang hasta el complejo reino de objetos celestes que observamos hoy, 13.800 millones de años después.

El Square Kilometre Array (SKA) –un telescopio de próxima generación que se completará a finales de la década– podrá probablemente tomar imágenes de la luz más temprana del Universo, pero para los telescopios actuales el reto es detectar la señal cosmológica de las estrellas a través de las espesas nubes de hidrógeno.

Se espera que la señal que los astrónomos pretenden detectar sea aproximadamente cien mil veces más débil que otras señales de radio procedentes también del cielo, por ejemplo, las señales de radio originadas en nuestra propia galaxia.

El uso de un radiotelescopio introduce por sí mismo distorsiones en la señal recibida, que pueden ocultar por completo la señal cosmológica de interés. Esto se considera un desafío observacional extremo en la radiocosmología moderna. Se suele culpar a estas distorsiones relacionadas con los instrumentos como el principal cuello de botella en este tipo de observación.

Ahora, el equipo dirigido por Cambridge ha desarrollado una metodología para ver a través de las nubes primordiales y otras señales de ruido del cielo, evitando el efecto perjudicial de las distorsiones introducidas por el radiotelescopio. Su metodología, que forma parte del experimento REACH (Experimento de Radio para el Análisis del Hidrógeno Cósmico), permitirá a los astrónomos observar las primeras estrellas a través de su interacción con las nubes de hidrógeno, de la misma manera que deduciríamos un paisaje mirando las sombras en la niebla.

Su método mejorará la calidad y la fiabilidad de las observaciones de los radiotelescopios que estudian esta época clave e inexplorada del desarrollo del Universo. Las primeras observaciones de REACH se esperan para finales de este año.

«En el momento en que se formaron las primeras estrellas, el Universo estaba mayoritariamente vacío y compuesto en su mayor parte por hidrógeno y helio –explica el doctor Eloy de Lera Acedo, del Laboratorio Cavendish de Cambridge, autor principal del artículo–. Debido a la gravedad, los elementos acabaron juntándose y se dieron las condiciones para la fusión nuclear, que es lo que formó las primeras estrellas. Pero estaban rodeadas por nubes del llamado hidrógeno neutro, que absorben muy bien la luz, por lo que es difícil detectar u observar la luz detrás de las nubes directamente».

En 2018, otro grupo de investigación, que dirige el Experimento para detectar la firma de la época global de la reioniozación (EDGES, por sus siglas en inglés), publicó un resultado que insinuaba una posible detección de esta luz más temprana, pero los astrónomos no han podido repetir el resultado -lo que les lleva a creer que el resultado original puede haberse debido a la interferencia del telescopio que se estaba utilizando-.

«El resultado original requeriría una nueva física para explicarlo, debido a la temperatura del gas hidrógeno, que debería ser mucho más fría de lo que permite nuestra comprensión actual del Universo. Alternativamente, una temperatura más alta inexplicable de la radiación de fondo -que normalmente se supone que es el conocido Fondo Cósmico de Microondas- podría ser la causa –señala De Lera Acedo–. Si podemos confirmar que la señal encontrada en ese experimento anterior procedía realmente de las primeras estrellas, las implicaciones serían enormes».

Para estudiar este periodo del desarrollo del Universo, a menudo denominado el Amanecer Cósmico, los astrónomos estudian la línea de 21 centímetros, una firma de radiación electromagnética procedente del hidrógeno en el Universo primitivo. Buscan una señal de radio que mida el contraste entre la radiación del hidrógeno y la radiación detrás de la niebla de hidrógeno.

La metodología desarrollada por de Lera Acedo y sus colegas utiliza la estadística bayesiana para detectar una señal cosmológica en presencia de las interferencias del telescopio y del ruido general del cielo, de modo que se puedan separar las señales. Para ello, se han necesitado técnicas y tecnologías punteras de diferentes campos.

Los investigadores utilizaron simulaciones para imitar una observación real con múltiples antenas, lo que mejora la fiabilidad de los datos (las observaciones anteriores se basaban en una sola antena).

«Nuestro método analiza conjuntamente los datos de múltiples antenas y en una banda de frecuencias más amplia que los instrumentos actuales equivalentes. Este enfoque nos proporcionará la información necesaria para nuestro análisis bayesiano de los datos –explica De Lera Acedo–. En esencia, nos olvidamos de las estrategias de diseño tradicionales y nos centramos en diseñar un telescopio adaptado a la forma en que pensamos analizar los datos, algo así como un diseño inverso. Esto podría ayudarnos a medir cosas desde el Amanecer Cósmico y hasta la época de la reionización, cuando el hidrógeno del Universo se reionizó».

La construcción del telescopio se está ultimando en la reserva de radio de Karoo, en Sudáfrica, un lugar elegido por sus excelentes condiciones para la observación del cielo por radio. Está lejos de las interferencias de radiofrecuencia provocadas por el hombre, por ejemplo, las señales de televisión y radio FM.

El equipo de REACH, formado por más de 30 investigadores, es multidisciplinar y está distribuido por todo el mundo, con expertos en campos como la cosmología teórica y observacional, el diseño de antenas, la instrumentación de radiofrecuencias, la modelización numérica, el procesamiento digital, los grandes datos y la estadística bayesiana. REACH está codirigido por la Universidad de Stellenbosch, en Sudáfrica.

El profesor de Villiers, codirector del proyecto en la Universidad de Stellenbosch (Sudáfrica), apunta que, «aunque la tecnología de la antena utilizada para este instrumento es bastante sencilla, el entorno de despliegue duro y remoto, y las estrictas tolerancias requeridas en la fabricación, hacen que este sea un proyecto muy difícil de trabajar».

El Big Bang y los primeros tiempos del Universo son épocas bien conocidas, gracias a los estudios de la radiación del Fondo Cósmico de Microondas (CMB). Todavía se conoce mejor la evolución tardía y generalizada de las estrellas y otros objetos celestes. Pero la época de formación de la primera luz del Cosmos es una pieza fundamental que falta en el rompecabezas de la historia del Universo. (Europa Press)