La no detección de la señal clave permite a los astrónomos determinar cómo eran y no eran las primeras galaxias.

Usando datos del radiotelescopio SARAS3 de la India, los investigadores dirigidos por la Universidad de Cambridge pudieron observar el universo muy temprano, solo 200 millones de años después del Big Bang, y establecer límites en la producción de masa y energía de las primeras estrellas y galaxias.

Contrariamente a la intuición, los investigadores pudieron establecer estos límites en las primeras galaxias al no encontrar la señal que habían estado buscando, conocida como la línea de hidrógeno de 21 centímetros.

Esta falta de detección permitió a los investigadores hacer otras determinaciones sobre el amanecer cósmico, poniendo restricciones en las primeras galaxias y permitiéndoles descartar escenarios que incluyen galaxias que eran calentadores ineficientes de gas cósmico y productores eficientes de emisiones de radio.

Si bien todavía no podemos observar directamente estas primeras galaxias, los resultados, publicados en la revista Naturaleza Astronomíarepresenta un paso importante para comprender cómo nuestro Universo pasó de estar mayormente vacío a uno 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 un estudio de prueba de concepto que abre el camino para comprender este período en el desarrollo del Universo.

El proyecto SKA, que involucra dos telescopios de próxima generación que se completarán a fines de la década, probablemente podrá tomar imágenes del Universo primitivo, pero para los telescopios actuales, el desafío es detectar la señal cosmológica de las primeras estrellas. re-irradiado por espesas nubes de hidrógeno.

Esta señal se conoce como la línea de 21 centímetros, una señal de radio producida por átomos de hidrógeno en el Universo primitivo. A diferencia del JWST lanzado recientemente, que podrá obtener imágenes directamente de galaxias individuales en el Universo primitivo, los estudios de la línea de 21 centímetros, realizados con radiotelescopios como el REACH (Radio Experiment for the Analysis of Cosmic Hydrogen) dirigido por Cambridge, puede hablarnos de poblaciones enteras de galaxias incluso anteriores. 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 átomos de hidrógeno en el Universo primitivo, afectados por la luz de las primeras estrellas y la radiación detrás de la niebla de hidrógeno. A principios de este año, los mismos investigadores desarrollaron un método que 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 presente estudio.

En 2018, otro grupo de investigación que operaba el experimento EDGES publicó un resultado que insinuaba una posible detección de esta primera luz. La señal reportada fue inusualmente fuerte en comparación con lo que se espera en la imagen astrofísica más simple del Universo primitivo. Recientemente, los datos de SARAS3 cuestionaron esta detección: el resultado de EDGES todavía está esperando la confirmación de observaciones independientes.

En un nuevo análisis de los datos de SARAS3, el equipo dirigido por Cambridge probó una variedad de escenarios astrofísicos que podrían explicar potencialmente 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 SARAS3 son la primera vez que las observaciones de radio de la línea promediada de 21 centímetros han podido proporcionar una idea de las propiedades de las primeras galaxias en forma de límites de sus principales propiedades físicas.

Trabajando con colaboradores en India, Australia e Israel, el equipo de Cambridge usó datos del experimento SARAS3 para buscar señales del amanecer cósmico, cuando se formaron las primeras galaxias. Usando técnicas de modelado estadístico, los investigadores no pudieron encontrar una señal en los datos de SARAS3.

«Estábamos buscando una señal con cierta amplitud», dijo 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, en a su vez, comienza a informarnos sobre cuán brillantes eran las primeras galaxias”.

«Nuestro análisis mostró que la señal de hidrógeno puede informarnos sobre la población de las primeras estrellas y galaxias», dijo la coautora principal, la Dra. Anastasia Fialkov, del Instituto de Astronomía de Cambridge. “Nuestro análisis pone límites a algunas de las propiedades clave de las primeras fuentes de luz, incluidas 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 rayos X, radio y radiación 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, galaxias y otros objetos celestes que podemos ver desde la Tierra hoy”, dijo el Dr. Eloy. por Lera Acedo del Laboratorio Cavendish de Cambridge, quien codirigió la investigación.

El estudio observacional, el primero de su tipo en muchos aspectos, excluye escenarios en los que las primeras galaxias eran más de mil veces más brillantes que las galaxias actuales en su emisión de banda de radio y eran pobres calentadores de gas hidrógeno.

“Nuestros datos también revelan algo que se ha 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. ” dijo de Lera Acedo, “También estamos estableciendo un límite a esa contribución”.

“Es increíble poder mirar tan atrás en el tiempo, hasta 200 millones de años después del Big Bang, y poder aprender sobre el Universo primitivo”, dijo Bevins.

La investigación fue apoyada en parte por el Consejo de Instalaciones de Ciencia y Tecnología (STFC), parte de Investigación e Innovación del Reino Unido (UKRI) y la Royal Society. Los autores de Cambridge son todos miembros del Instituto Kavli de Cosmología de Cambridge.

Referencia:
HTJ Bevins et al. ‘Restricciones astrofísicas de la no detección de SARAS 3 de la señal promedio de 21 cm del cielo del amanecer cósmico.’ Astronomía de la naturaleza (2022). DOI: 10.1038/s41550-022-01825-6