Investigan una señal cósmica que revelaría cómo eran las primeras estrellas del universo

Hace más de 13.000 millones de años, el universo era oscuro y frío. Una vasta nube de gas, compuesta principalmente por hidrógeno, flotaba en silencio. Esa etapa cambió cuando comenzaron a formarse estrellas y galaxias en lo que se conoce como “amanecer cósmico”. Sin embargo, todavía no se sabe con certeza qué características tenían esas “luces”.

Un nuevo estudio publicado en la revista Nature Astronomy propone una forma novedosa de averiguarlo. En lugar de mirar esos cuerpos directamente, los investigadores plantean que podemos detectarlos a través de una señal de radio muy antigua: el “susurro” del hidrógeno que quedó entre los primeros puntos brillantes del cosmos.

“Esta es una oportunidad única para aprender cómo surgió la primera luz del universo desde la oscuridad”, postuló la profesora Anastasia Fialkov, coautora del estudio e investigadora del Instituto de Astronomía de la Universidad de Cambridge, en un comunicado.

Según el equipo de científicos, la clave está en una señal conocida como señal de 21 centímetros. Es una forma muy tenue de energía que emiten los átomos de hidrógeno cuando cambian su estado interno. Puede conservarse durante miles de millones de años y lleva información sobre lo que ocurría cuando el universo apenas comenzaba a iluminarse, según divulgaron.

Este indicador surge de una transición hiperfina en el átomo de hidrógeno: un cambio sutil en la interacción entre el espín del protón y el electrón, una propiedad cuántica que comprende el momento angular de estas partículas. El cambio permite que el hidrógeno emita o absorba fotones de una longitud de onda de 21 centímetros, es decir, radiación en el rango de las ondas de radio.

A medida que el universo se expande, esta señal se estira, lo que resulta en frecuencias más bajas, un fenómeno conocido como corrimiento al rojo. Se detecta como una variación en la temperatura de brillo en frecuencias de radio que dependen de la época en que fue emitida. Se trata de una forma de cuantificar cuán intensa es la señal comparada con el fondo cósmico de microondas.

Para los autores, la variación depende de si el hidrógeno emite o absorbe la radiación de fondo, y cuándo lo hace. Por eso, analizar cómo cambia en distintas frecuencias permite reconstruir qué estaba ocurriendo en distintos momentos del universo temprano.

El estudio explica que esta señal fue alterada por la energía que emitieron las primeras estrellas y también por la radiación de los sistemas que surgieron cuando murieron. Entre los más influyentes se encuentran las binaria de rayos X: sistemas formados por dos objetos celestes, uno de los cuales suele ser un agujero negro o una estrella de neutrones, que absorbe materia de su compañero. Ese proceso libera enormes cantidades de rayos X, que calientan el hidrógeno del entorno y modifican la señal de 21 centímetros que los astrónomos buscan detectar.

El equipo probó un modelo que muestra cómo esta distintiva marca cósmica cambia según el tamaño promedio de esas primeras estrellas, también conocidas como estrellas de Población III. “Mostramos que incluir de manera coherente el calentamiento por binarias de rayos X de Población III amplifica fuertemente la firma de la IMF en la señal de 21 cm”, explican los autores. Initial Mass Function (IMF) es una forma de describir cuántas estrellas pequeñas, medianas o grandes se formaron en ese momento.

Gracias a esto, se podría deducir si los astros primitivos eran sobre todo masivos, es decir cien veces más grandes que el Sol, o más pequeños, sin necesidad de verlos directamente.

Los expertos utilizaron un simulador astronómico que permite recrear cómo era el universo en distintas etapas. Introdujeron seis modelos posibles sobre la distribución de masas de las primeras estrellas y calcularon cómo cada uno habría afectado la señal del hidrógeno.

La señal fue modelada teniendo en cuenta no solo la luz de los astros, sino también el calor generado por las binarias de rayos X. El trabajo muestra que la influencia de estas binarias sobre la señal de 21 cm fue subestimada en trabajos anteriores, y que su impacto puede ser mucho mayor cuando se considera la formación y brillo de estos sistemas en las primeras etapas del universo.

Los investigadores probaron qué tan sensibles deberían ser los telescopios para detectar esos cambios. Usaron dos experimentos como referencia: REACH, una antena ya en funcionamiento en Sudáfrica, y SKA-Low, un enorme conjunto de antenas aún en construcción.

“Radiotelescopios como REACH prometen desvelar los misterios del universo incipiente, y estas predicciones son esenciales para guiar las observaciones de radio que realizamos desde el Karoo, en Sudáfrica”, dijo el doctor Eloy de Lera Acedo, investigador principal del telescopio REACH.

Los resultados son alentadores. El estudio señala que, con suficientes horas de observación o una detección precisa de la señal, será posible estimar con gran certeza las masas de las primeras estrellas. En términos estadísticos, eso implica un nivel de confianza muy alto, cercano al 99,7%, lo que permite sacar conclusiones sólidas sobre cómo eran esos astros primitivos.

Saber qué tan grandes eran las primeras estrellas ayudaría a entender cómo se formaron las galaxias, los elementos pesados y, en última instancia, los planetas y la vida. También podría explicar por qué algunas galaxias observadas por el telescopio James Webb brillan más de lo esperado. Según los autores, este tipo de astros muy masivos podrían ser responsables de esa luminosidad.

“Las predicciones que presentamos tienen importantes implicaciones para nuestra comprensión de la naturaleza de las primeras estrellas del universo”, sostuvo De Lera Acedo, que también lidera las actividades del proyecto SKA en Cambridge.

Los autores destacaron: “Los conocimientos obtenidos al medir la IMF de la Población III mediante la señal de 21 cm arrojarán luz sobre el amanecer cósmico, una transición crítica y aún poco comprendida de la historia cosmológica”.