El susurro de las primeras estrellas provocó un fuerte debate sobre la materia oscura.

Un descubrimiento inesperado reciente sugiere que el Universo primitivo no se veía en absoluto como se pensaba anteriormente. Las teorías iniciales de que la materia oscura es la culpable de esta discrepancia son criticadas

Las noticias sobre las primeras estrellas en el Universo siempre parecen extrañas. En julio pasado, Renan Barkana , cosmólogo de la Universidad de Tel Aviv, recibió un correo electrónico de su colega Jada Bowman . Bowman lidera un pequeño grupo de cinco astrónomos que construyeron y comisionaron un radiotelescopio en una parte remota del oeste de Australia. Su objetivo es descubrir el susurro de las primeras estrellas. Bowman y el equipo encontraron una señal no del todo clara. Y le pidió a Barkan que lo ayudara a pensar en qué podría desencadenar tal señal.

Durante los años en que los radiotelescopios escanean el cielo, los astrónomos esperan captar las débiles señales de las primeras estrellas del universo. Dichos objetos son demasiado tenues y están a una distancia de más de 13 mil millones de años luz, demasiado distantes para ser distinguidos por los telescopios comunes. En cambio, los astrónomos están buscando rastros de los efectos de estas estrellas en el gas que las rodea. El equipo de Bowman, como otros telescopios, está tratando de detectar una cierta falla en el gráfico de ondas de radio que provienen de los extremos lejanos del universo.

Estas mediciones son terriblemente difíciles de realizar, ya que las señales potenciales pueden perderse no solo en una gran cantidad de señales de radio de la sociedad moderna, esta es una de las razones por las que el experimento se realiza en los patios traseros de Australia, sino también en señales de fuentes espaciales cercanas, como nuestra Vía Láctea. Y, sin embargo, después de muchos años de trabajo metódico, Bowman con sus colegas y el experimento EDGES (Experimento para detectar la época global de la firma de reionización, un experimento para encontrar rastros de la era global de la reionización) llegaron a la conclusión de que no solo descubrieron las primeras estrellas, sino que también encontraron evidencia de que el joven cosmos era mucho más frío de lo que todos pensaban.

Barkana se mostró escéptico. "Por un lado, las mediciones parecían ser confiables", dijo. "Por otro lado, fue muy inesperado".

¿Qué podría hacer que el universo primitivo se vea frío? Barkana consideró todas las posibilidades y se dio cuenta de que esto podría deberse a la presencia de materia oscura, una sustancia misteriosa que llena el Universo y, al mismo tiempo, elude todos los intentos de comprender qué es y cómo funciona. Descubrió que los resultados de EDGES pueden interpretarse como una forma completamente nueva de interacción de la materia ordinaria y la materia oscura.

EDGES ha anunciado detalles sobre esta señal y el descubrimiento de las primeras estrellas en el universo en la edición del 1 de marzo de Nature. Junto con el artículo, se publicó el trabajo de Barkana que describe esta nueva idea sobre la materia oscura. Los medios de comunicación de todo el mundo difundieron la noticia del descubrimiento. The Associated Press escribió: "Los astrónomos vislumbraron el amanecer del espacio cuando las estrellas se encendieron" y agregaron que "también pueden haber descubierto misteriosa materia oscura en el trabajo".

Sin embargo, desde la publicación de la semana, los cosmólogos de todo el mundo han expresado una mezcla de entusiasmo y escepticismo. Los investigadores que vieron el resultado de EDGES por primera vez cuando apareció en Nature, realizaron su propio análisis y demostraron que incluso si algún tipo de energía oscura es responsable de ello, como sugirió Barkan, solo una pequeña parte podría tener un efecto. (El propio Barkan participó en algunos de estos estudios). Pero los astrónomos experimentales dijeron que, aunque respetan al equipo de EDGES y al riguroso trabajo que ha realizado, es difícil confiar en esas mediciones. "Si esto no fuera un descubrimiento revolucionario, sería mucho más fácil para las personas creer en los resultados", dijo Daniel Price, astrónomo de la Universidad Tecnológica de Swinburne en Australia, trabajando en experimentos similares. "Las declaraciones vívidas requieren evidencia vívida".

Este mensaje ha hecho eco en la comunidad cosmológica desde la publicación de artículos en la revista Nature.

Fuente de susurro

El día después de que Bowman contactó a Barkana y le contó sobre una señal inesperada de EDGES, Barkana fue con su familia a visitar a los padres de su esposa. Durante el viaje, dice, reflexionó sobre la señal y le contó a su esposa sobre un acertijo interesante que Bowman le había contado.

Bowman, con el equipo EDGES, detectó gas de hidrógeno neutro que llenó el universo en los primeros millones de años después del Big Bang. Este gas era propenso a absorber la luz, lo que condujo a lo que los cosmólogos llaman poéticamente "edades oscuras". Aunque el espacio estaba lleno de luz de fondo dispersa, radiación relicta (RI), el llamado resplandor posterior del Big Bang, este gas neutro lo absorbió en ciertas longitudes de onda. EDGES estaba buscando exactamente este patrón de absorción.

Cuando las estrellas comenzaron a encenderse en el Universo, se suponía que su energía calentaba el gas. Como resultado, el gas alcanzó una temperatura suficientemente alta y dejó de absorber RI. Las señales de absorción cesaron y la edad oscura terminó.

La señal de absorción medida por EDGES contiene una gran cantidad de información. Se estiró mientras el patrón de absorción se movía alrededor del universo en expansión. Los astrónomos pueden usar este tramo para estimar cuánto tiempo ha estado en tránsito la señal y, por lo tanto, cuándo se han encendido las primeras estrellas. Además, el ancho de la señal detectada corresponde a la cantidad de tiempo que el gas absorbió la radiación. Y la intensidad de la señal, la cantidad de luz absorbida, está asociada con la temperatura del gas y la cantidad de luz en el espacio en ese momento.

Muchos investigadores consideran que esta última característica es la más interesante. "Esta absorción resultó ser mucho más fuerte de lo que creíamos posible", dijo Stephen Furlaneto, cosmólogo de la Universidad de California en Los Ángeles, que estudió lo que los datos EDGES podrían significar para la formación de las primeras galaxias.


Las líneas azules en el gráfico indican la fuerza de absorción esperada, de acuerdo con varios modelos. La línea roja muestra la absorción medida.

La explicación más obvia para la intensidad de la señal sería que el gas neutro era más frío de lo previsto, por lo que podría absorber más RI. Pero, ¿cómo se enfrió de repente el universo? "Estamos hablando del período de tiempo en que las estrellas comenzaron a formarse", dijo Barkana, "sobre la oscuridad antes del amanecer". "Así que todo estaba lo más frío posible". La pregunta es: ¿qué podría ser aún más frío?

Cuando se estacionó en el césped de la casa de los padres de su esposa ese día de julio, se le ocurrió la idea: ¿podría ser materia oscura? De hecho, TM, aparentemente, no interactúa con la materia normal a través de la fuerza electromagnética, no absorbe y no emite calor. Por lo tanto, TM inicialmente podría ser más frío o frío durante mucho más tiempo que la materia normal al comienzo del Universo, y luego continuar enfriándose.

Durante la semana siguiente, trabajó en una teoría de cómo la forma hipotética de TM, llamada " materia oscura de partículas microcargadas " , podría ser responsable de esto. La materia oscura microcargada (MTM) podría interactuar con la materia ordinaria, pero solo a través de una interacción débil. El gas intergaláctico podría enfriarse, "de hecho, simplemente al verter calor en el sector de la materia oscura, que ya no es visible", explicó Furlaneto. Barkana describió esta idea y la envió a Nature.


Renan Barkana

Luego comenzó a trabajar con esta idea con más detalle y con la ayuda de colegas. Otros científicos hicieron lo mismo. Inmediatamente después de la aparición de trabajos en Nature, varios cosmólogos-teóricos comenzaron a comparar el comportamiento de este tipo inesperado de TM con lo que sabemos sobre el Universo: décadas de observaciones de radiación de rayos X, datos de explosiones de supernovas, resultados de colisiones en aceleradores de partículas como el Gran Colisionador de Hadrones, y comprensión astrónomos de cómo el Big Bang produjo hidrógeno, helio y litio en los primeros minutos del universo. Si hubo MTM allí, ¿son significativas todas estas observaciones?

Pero nada funcionó. Más precisamente, los investigadores descubrieron que MTM solo puede representar una pequeña fracción del número total de TM en el Universo, demasiado pequeño para crear la falla observada en los datos de EDGES. "100% TM no puede interactuar de esta manera", dijo Anastasia Fialkov , astrofísica de la Universidad de Harvard y la primera autora de un artículo enviado a la revista Physical Review Letters. Otro trabajo, cuya preimpresión que Barkan y sus colegas enviaron a arxiv.org, afirma que este porcentaje debería ser aún menor: no puede ser más del 1-2% del número total de MTM. Grupos independientes llegaron a la misma conclusión.

Si esto no es MTM, ¿qué puede explicar la inesperada potencia de absorción de señal de EDGES? Otra posibilidad es la existencia de luz de fondo adicional en los albores del espacio. Si el Universo temprano tuviera más ondas de radio de lo esperado, entonces "la absorción parecería más fuerte, aunque el gas en sí seguiría siendo el mismo", dijo Furlaneto. Quizás RI no fue la única luz de fondo en la infancia del universo.

Y esta idea no es tan extraña. En 2011, un experimento con un globo, ARCADE 2 , informó la presencia de una señal de radio de fondo que excedía en potencia todo lo que podía esperarse de RI. Los científicos aún no pueden explicar este resultado.

Después del descubrimiento de EDGES, varios grupos de astrónomos repensaron los datos. Un grupo estudió la posibilidad de explicar los datos utilizando BH, porque son las fuentes extragalácticas más brillantes de emisión de radio en el cielo. Sin embargo, los BH también emiten otros tipos de radiación, por ejemplo, rayos X, que no se observan en el Universo temprano. Por lo tanto, los astrónomos son escépticos ante la idea de que los BH puedan ser la respuesta.

¿Es real la señal?

Quizás la explicación más simple de lo que está sucediendo es que los datos son simplemente incorrectos. Las medidas son extremadamente difíciles. Sin embargo, aparentemente, el equipo de EDGES hizo todo lo posible para verificar y volver a verificar sus datos: Price calificó el experimento como "selectivo", lo que significa que si hay un defecto en los datos, será extremadamente difícil de encontrar.


Esta antena para el experimento EDGES se puso en funcionamiento en 2015 en un lugar remoto en el oeste de Australia, donde prácticamente no hay interferencia de radio

El equipo de EDGES lanzó su antena de radio en septiembre de 2015. Para diciembre, ya habían visto la señal, dijo Raul Monsalve , un cosmólogo experimental de la Universidad de Colorado en Boulder, y miembro del equipo de EDGES. "Inmediatamente sospechamos de él porque era más fuerte de lo esperado".

Así comenzó su maratón de diligencia debida. Construyeron una antena similar y la instalaron a 150 metros de la primera. Giraron las antenas para eliminar las influencias y herramientas ambientales. Utilizaron técnicas separadas de calibración y análisis. "Hicimos todo tipo de pruebas y experimentos para tratar de eliminar la probabilidad de que la señal provenga del entorno u otra fuente", dijo Monsalve. - Al principio, no nos creíamos. Pensamos que una señal tan fuerte parece muy sospechosa, por lo que nos llevó mucho tiempo publicarla ”. Están convencidos de que ven la señal y que la señal es inesperadamente fuerte.

"Creo en el resultado", dijo Price, pero enfatizó que los datos aún deben verificarse para detectar errores sistemáticos. Mencionó un área donde el experimento, en principio, podría pasar por alto el error: la sensibilidad de cualquier antena depende de la frecuencia observada y la dirección de llegada de la señal. Los astrónomos pueden tener en cuenta estas imperfecciones, ya sea midiéndolas o modelándolas. Bowman y sus colegas decidieron modelarlos. Price sugiere que los miembros del equipo EDGES encuentren una forma de medirlos y luego vuelvan a analizar la señal, teniendo en cuenta el efecto medido.

El siguiente paso es detectar esta señal en otro detector de radio, lo que significaría que la señal proviene del cielo, y no de la antena o del modelo EDGES. Los científicos del proyecto LEDA (Experimento de gran apertura para detectar las edades oscuras, un experimento con una gran apertura para detectar edades oscuras), ubicado en California en el valle de Owens, actualmente están analizando datos de esta herramienta. Luego deberán confirmar que la señal tiene una naturaleza cosmológica y no se produce en algún lugar de nuestra Vía Láctea. Esta no es una tarea fácil. La emisión de radio de nuestra galaxia puede ser miles de veces más fuerte que las señales cosmológicas.

En general, los investigadores se relacionan con las mediciones de EDGES y su interpretación con una buena dosis de escepticismo, como dicen Barkana y muchos otros. Los científicos deben ser escépticos con respecto a las primeras mediciones de este tipo: así es como puede garantizar la fiabilidad de las observaciones, la precisión del análisis y la ausencia de errores en el experimento. Así es como debería funcionar la ciencia. "Hacemos preguntas, realizamos investigaciones, descartamos cualquier oportunidad incorrecta", dijo Tomer Volanski, un especialista en física de partículas en la Universidad de Tel Aviv que trabajó con Barkana en uno de los trabajos. "Buscamos la verdad". Si la verdad es que no es TM, entonces no es TM ".