Solo 200 millones de años después de que el Big Bang creara el universo, las primeras galaxias eran relativamente pequeñas y tenues -más débiles que las galaxias actuales- y probablemente solo procesaban un 5% o menos de su gas en estrellas. Estas primeras galaxias tampoco emitían ondas de radio con una intensidad muy superior a la de las galaxias modernas.
Este descubrimiento fue realizado por un equipo internacional dirigido por la doctora Anastasia Fialkov, de la Universidad de Cambridge (Inglaterra), y en el que participó el profesor Rennan Barkana, de la Escuela Sackler de Física y Astronomía de la Universidad de Tel Aviv (TAU). Fialkov fue alumno de Barkana en la TAU.
El equipo de astrofísicos consiguió por primera vez caracterizar estadísticamente las primeras galaxias del universo. Los resultados de este innovador estudio acaban de publicarse en la prestigiosa revista Nature Astronomy bajo el título “Astrophysical constraints from the SARAS 3 non-detection of the cosmic dawn sky-averaged 21-cm signal”.
“Se trata de un campo muy novedoso y de un estudio inédito”, dijo Barkana. “Estamos tratando de comprender la época de las primeras estrellas en el universo, conocida como el ‘amanecer cósmico’, unos 200 millones de años después del Big Bang”. El telescopio espacial James Webb, por ejemplo, no puede ver realmente estas estrellas. Puede que solo detecte algunas galaxias especialmente brillantes de un periodo algo posterior. Nuestro objetivo es sondear toda la población de las primeras estrellas”.
Según la imagen estándar, antes de que las estrellas comenzaran a fusionar elementos más pesados dentro de sus núcleos, nuestro universo no era más que una nube de átomos de hidrógeno del Big Bang, aparte de algo de helio y mucha materia oscura. Hoy en día, el universo también está lleno de hidrógeno, pero en el universo moderno, está mayormente ionizado debido a la radiación de las estrellas.
“Los átomos de hidrógeno emiten naturalmente luz a una longitud de onda de 21 cm, que entra en el espectro de las ondas de radio”, añade Barkana. “Como la radiación estelar afecta a la luz emitida por los átomos de hidrógeno, utilizamos el hidrógeno como detector en nuestra búsqueda de las primeras estrellas. Si podemos detectar el efecto de las estrellas sobre el hidrógeno, sabremos cuándo nacieron y en qué tipo de galaxias. Fui uno de los primeros teóricos en desarrollar este concepto hace 20 años, y ahora los observadores son capaces de aplicarlo en experimentos reales. Equipos de experimentadores de todo el mundo intentan actualmente descubrir la señal de 21 cm. del hidrógeno en el universo primitivo”.
Uno de estos equipos es EDGES (el Experimento para Detectar la Firma Global de EoR), que utiliza una antena de radio bastante pequeña que mide la intensidad media en todo el cielo de las ondas de radio que llegan desde diferentes períodos del amanecer cósmico. En 2018, el equipo de EDGES anunció que había encontrado la señal de 21 centímetros del hidrógeno antiguo.
“Sin embargo, había un problema con sus hallazgos”, recordó Barkana. “No podíamos estar seguros de que la señal medida procediera efectivamente del hidrógeno del universo primitivo. Podía ser una señal falsa producida por la conductividad eléctrica del suelo bajo la antena. Por lo tanto, todos esperábamos una medición independiente que confirmara o refutara estos resultados”. El año pasado, unos astrónomos de la India llevaron a cabo un experimento denominado “Medición del Espectro Radioeléctrico de Fondo con una Antena Conformada” [SARAS], en el que se hizo flotar la antena sobre un lago, una superficie uniforme de agua que no podía imitar la señal deseada. Según los resultados del nuevo experimento, había un 95% de probabilidades de que EDGES no detectara de hecho una señal real del universo primitivo”.
SARAS encontró un límite superior para la señal genuina, continuó, “lo que implica que la señal del hidrógeno primitivo es probablemente significativamente más débil que la medida por EDGES. Hemos modelado el resultado de SARAS y hemos calculado las implicaciones para las primeras galaxias, es decir, cuáles eran sus propiedades dado el límite superior determinado por SARAS. Ahora podemos decir, por primera vez, que ciertos tipos de galaxias no podían existir en esa época.
“Las galaxias modernas, como nuestra Vía Láctea, emiten grandes cantidades de ondas de radio”, concluyó Barkana. “En nuestro estudio, pusimos un límite superior a la tasa de formación estelar en las galaxias antiguas y a su emisión de radio en general. Y esto es solo el principio. Cada año, los experimentos son más fiables y precisos y, por consiguiente, esperamos encontrar límites superiores más fuertes, que nos proporcionen restricciones aún mejores sobre el amanecer cósmico. Esperamos que en un futuro próximo no solo tengamos límites, sino una medición precisa y fiable de la propia señal”.
