Los astrónomos desarrollan una forma novedosa de ‘ver’ las primeras estrellas a través de la niebla del Universo primitivo

Los investigadores, liderados por la Universidad de Cambridge, han desarrollado una metodología que les permitirá observar y estudiar las primeras estrellas a través de las nubes de hidrógeno que llenaron 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 los 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, probablemente podrá tomar imágenes de la luz más antigua del Universo, pero para los telescopios actuales el desafío es detectar el cosmológico. señal de las estrellas a través de las espesas nubes de hidrógeno.

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

El uso de un radiotelescopio introduce distorsiones en la señal recibida, lo que puede oscurecer por completo la señal cosmológica de interés. Esto se considera un desafío de observación extremo en la radiocosmología moderna. Tales distorsiones relacionadas con los instrumentos son comúnmente atribuidas 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, parte del experimento REACH (Radio Experiment for the Analysis of Cosmic Hydrogen), permitirá a los astrónomos observar las estrellas más tempranas a través de su interacción con las nubes de hidrógeno, de la misma manera que inferiríamos un paisaje mirando las sombras en el niebla.

Su método mejorará la calidad y la confiabilidad de las observaciones de los radiotelescopios que analizan este momento clave inexplorado en el desarrollo del Universo. Las primeras observaciones de REACH se esperan para finales de este año.

Los resultados se informan hoy en la revista Naturaleza Astronomía.

“En el momento en que se formaron las primeras estrellas, el Universo estaba mayormente vacío y compuesto principalmente de hidrógeno y helio”, dijo el Dr. Eloy de Lera Acedo del Laboratorio Cavendish de Cambridge, autor principal del artículo.

Agregó: “Debido a la gravedad, los elementos finalmente se unieron y las condiciones fueron adecuadas para la fusión nuclear, que es lo que formó las primeras estrellas. Pero estaban rodeados por nubes del llamado hidrógeno neutro, que absorben la luz muy bien, por lo que es difícil detectar u observar directamente la luz detrás de las nubes”.

En 2018, otro grupo de investigación (que ejecutaba el ‘Experimento para detectar la firma de la época global de reionización’, o EDGES, publicó un resultado que insinuaba una posible detección de esta luz más temprana, pero los astrónomos no han podido repetir el resultado, lo que los llevó creer que el resultado original puede deberse a la interferencia del telescopio que se está 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 permitiría nuestra comprensión actual del Universo. Alternativamente, una temperatura más alta inexplicable de la radiación de fondo, que generalmente se supone que es el conocido Fondo Cósmico de Microondas, podría ser la causa”, dijo de Lera Acedo.

Agregó: «Si podemos confirmar que la señal encontrada en ese experimento anterior realmente era de las primeras estrellas, las implicaciones serían enormes».

Para estudiar este período en el desarrollo del Universo, a menudo denominado Amanecer Cósmico, los astrónomos estudian la línea de 21 centímetros, una firma de radiación electromagnética 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 estadísticas bayesianas para detectar una señal cosmológica en presencia de interferencia del telescopio y ruido general del cielo, de modo que las señales puedan separarse.

Para ello se han requerido técnicas y tecnologías de última generación en diferentes campos.

Los investigadores utilizaron simulaciones para imitar una observación real usando múltiples antenas, lo que mejora la confiabilidad de los datos; las observaciones anteriores se vincularon en una sola antena.

“Nuestro método analiza conjuntamente los datos de múltiples antenas y en una banda de frecuencia más amplia que los instrumentos actuales equivalentes. Este enfoque nos dará la información necesaria para nuestro análisis de datos bayesiano”, dijo de Lera Acedo.

Agregó: “En esencia, nos olvidamos de las estrategias de diseño tradicionales y, en cambio, nos enfocamos en diseñar un telescopio adecuado a la forma en que planeamos analizar los datos, algo así como un diseño inverso. Esto podría ayudarnos a medir cosas desde el Amanecer Cósmico hasta la época de reionización, cuando se reionizó el hidrógeno en el Universo”.

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

El equipo REACH de más de 30 investigadores es multidisciplinario y está distribuido en todo el mundo, con expertos en campos como cosmología teórica y observacional, diseño de antenas, instrumentación de radiofrecuencia, modelado numérico, procesamiento digital, big data y estadísticas bayesianas. REACH está codirigido por la Universidad de Stellenbosch en Sudáfrica.

El profesor de Villiers, codirector del proyecto en la Universidad de Stellenbosch en Sudáfrica, dijo: «Aunque la tecnología de antena utilizada para este instrumento es bastante simple, el entorno de implementación remoto y severo, y las estrictas tolerancias requeridas en la fabricación, hacen este es un proyecto muy desafiante para trabajar”.

Agregó: «Estamos muy emocionados de ver qué tan bien funcionará el sistema, y ​​tenemos plena confianza en que haremos esa detección difícil de alcanzar».

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

La investigación fue apoyada por el Instituto Kavli de Cosmología en Cambridge (Reino Unido), la Fundación Nacional de Investigación (Sudáfrica), el fideicomiso Cambridge-Africa ALBORADA (Reino Unido) y el Consejo de Instalaciones de Ciencia y Tecnología (STFC), parte de Investigación y Innovación (UKRI).

Referencia

E. de Lera Acedo et al .: ‘El radiómetro REACH para detectar la señal de hidrógeno de 21 cm a partir del corrimiento al rojo z ≈ 7.5–28.’ Astronomía de la naturaleza (julio de 2022). DOI: 10.1038/s41550-022-01709-9..