Hace mucho tiempo, millones de años antes de que la primera estrella cobrara vida, todo el universo era un mar de oscuridad.
Comenzando alrededor de 400,000 años después del Big Bang y durando cientos de millones de años, esta llamada edad oscura del universo marcó la última vez que el espacio vacío realmente estaba vacío; sin planetas, sin soles, sin galaxias, sin vida, solo una niebla de átomos de hidrógeno forjados por el Big Bang y abandonados para chapotear en la oscuridad.
Hoy, los telescopios de todo el mundo están tratando de echar un vistazo a ese hidrógeno primario (conocido como hidrógeno neutro) para determinar el momento en que la edad oscura finalmente terminó y se formaron las primeras galaxias. Si bien esos átomos antiguos siguen siendo esquivos, un equipo de investigadores en el interior de Australia puede haber estado más cerca de encontrarlos que nunca.
Según el nuevo estudio publicado en la base de datos de preimpresión arXiv y que pronto aparecerá en el Astrophysical Journal, los astrónomos utilizaron el radiotelescopio Murchison Widefield Array (MWA) para mirar profundamente en el pasado cósmico en busca de la longitud de onda característica del hidrógeno neutro. No encontraron lo que estaban buscando; sin embargo, utilizando nuevas configuraciones en la matriz recientemente actualizada del telescopio, el equipo determinó el límite más bajo para la intensidad de la señal de hidrógeno neutro.
"Podemos decir con confianza que si la señal de hidrógeno neutral fuera más fuerte que el límite establecido en el documento, entonces el telescopio lo habría detectado", dijo el coautor del estudio Jonathan Pober, profesor asistente de física en la Universidad de Brown en Rhode Island. Eso significa que la búsqueda de estas moléculas antiguas todavía está en marcha, y ahora los investigadores saben que las huellas de hidrógeno neutro son incluso más débiles de lo previsto.
Los primeros atomos
La energía que circulaba por el universo primitivo era tan fuerte que cada átomo tenía sus electrones arrancados, dándoles una carga positiva. El primero de estos átomos fue el ion de hidrógeno cargado positivamente. Durante cientos de miles de años, el universo se enfrió y se expandió lo suficiente como para que estos iones de hidrógeno recuperen sus electrones, volviéndose neutrales una vez más. Se cree que estos átomos de hidrógeno neutros son la característica dominante de las edades oscuras cósmicas. (Finalmente, cuando suficientes de ellos se agruparon para formar las primeras estrellas, los átomos fueron reionizados nuevamente por la energía irradiada por esas estrellas).
Los científicos saben que el hidrógeno neutro emite radiación a una longitud de onda de 21 centímetros; sin embargo, a medida que el universo se ha expandido en los últimos 12 mil millones de años, esas longitudes de onda también se han extendido. Los autores del nuevo estudio estimaron que la longitud de onda del hidrógeno neutro se ha extendido a aproximadamente 2 metros, y esa es la señal que buscaron en los cielos para usar el MWA.
El problema es que hay muchas fuentes (tanto artificiales como celestes) que irradian en la misma longitud de onda.
"Todas estas otras fuentes son mucho más fuertes que la señal que estamos tratando de detectar", dijo Pober. "Incluso una señal de radio FM que se refleja en un avión que pasa por encima del telescopio es suficiente para contaminar los datos".
Entonces, Pober y sus colegas escribieron un conjunto de ecuaciones para identificar y eliminar estos contaminantes en sus observaciones. Después de tomar más de 1,200 instantáneas de ondas de radio del cielo, los investigadores determinaron que cada rastro de emisiones de 2 metros que encontraron provenía de otro lugar que no era el hidrógeno neutro que estaban buscando.
Si bien la preciada señal atómica permanece sin descubrir, la nueva investigación logra reducir cómo deberían ser las futuras búsquedas de hidrógeno neutro. Según los investigadores, estos resultados demuestran que los experimentos de MWA están llevando esta búsqueda por el camino correcto. Con más investigación, las últimas reliquias de las edades oscuras cósmicas pronto podrían salir a la luz.
