Las regiones más áridas que se conocen son los rincones más remotos del espacio intergaláctico. En estas vastas extensiones entre las galaxias sólo hay un átomo solitario por metro cúbico, una neblina difusa de gas hidrógeno que quedó del Big Bang. En las escalas más grandes, este material está dispuesto en una vasta red de estructuras filamentosas conocida como la "red cósmica, "sus hebras enredadas abarcan miles de millones de años luz y representan la mayoría de los átomos del universo.

Ahora, un equipo de astrónomos, incluyendo al físico Joseph Hennawi de UC Santa Barbara, han realizado las primeras mediciones de ondas a pequeña escala en este gas de hidrógeno primitivo utilizando raros cuásares dobles. Aunque las regiones de la red cósmica que estudiaron se encuentran a casi 11 mil millones de años luz de distancia, pudieron medir variaciones en su estructura en escalas 100, 000 veces más pequeño, comparable al tamaño de una sola galaxia. Los resultados aparecen en la revista Ciencias .

El gas intergaláctico es tan tenue que no emite luz propia. En cambio, los astrónomos lo estudian indirectamente al observar cómo absorbe selectivamente la luz proveniente de fuentes lejanas conocidas como cuásares. Los quásares constituyen una breve fase hiperluminosa del ciclo de vida galáctico impulsado por la materia que cae en el agujero negro supermasivo central de una galaxia. Actuando como faros cósmicos, son brillantes balizas distantes que permiten a los astrónomos estudiar los átomos intergalácticos que residen entre la ubicación del cuásar y la Tierra. Pero debido a que estos episodios hiperluminosos duran solo una pequeña fracción de la vida de una galaxia, Los cuásares son igualmente raros y, por lo general, están separados entre sí por cientos de millones de años luz.

Para sondear la red cósmica en escalas de longitud mucho más pequeñas, los astrónomos aprovecharon una coincidencia cósmica fortuita:identificaron pares de cuásares extremadamente raros y midieron diferencias sutiles en la absorción de átomos intergalácticos a lo largo de las dos líneas de visión.

"Los pares de cuásares son como agujas en un pajar, "explicó Hennawi, profesor asociado en el Departamento de Física de UCSB. Hennawi fue pionera en la aplicación de algoritmos del "aprendizaje automático", una marca de inteligencia artificial, para localizar de manera eficiente pares de cuásares en las enormes cantidades de datos producidos por los estudios de imágenes digitales del cielo nocturno. "Para encontrarlos, peinamos imágenes de miles de millones de objetos celestes millones de veces más débiles de lo que el ojo humano puede ver ".

Una vez identificado, los pares de cuásares se observaron con los telescopios más grandes del mundo, incluidos los telescopios Keck de 10 metros en el W.M. Observatorio Keck en Mauna Kea, Hawai, de los cuales la Universidad de California es socio fundador.

"Uno de los mayores desafíos fue desarrollar las herramientas matemáticas y estadísticas para cuantificar las pequeñas diferencias que medimos en este nuevo tipo de datos, "dijo el autor principal Alberto Rorai, El ex Ph.D. de Hennawi. estudiante que ahora es investigador postdoctoral en la Universidad de Cambridge. Rorai desarrolló estas herramientas como parte de la investigación para su doctorado y las aplicó a espectros de cuásares con Hennawi y otros colegas.

Los astrónomos compararon sus medidas con modelos de supercomputadoras que simulan la formación de estructuras cósmicas desde el Big Bang hasta el presente. En una sola computadora portátil, estos cálculos complejos requerirían casi 1, 000 años para completar, pero las supercomputadoras modernas permitieron a los investigadores llevarlas a cabo en tan solo unas pocas semanas.

"La entrada a nuestras simulaciones son las leyes de la física y la salida es un universo artificial, que se puede comparar directamente con datos astronómicos, "dijo el coautor José Oñorbe, investigador postdoctoral en el Instituto Max Planck de Astronomía en Heidelberg, Alemania, quien dirigió el esfuerzo de simulación de supercomputadoras. "Me encantó ver que estas nuevas medidas concuerdan con el paradigma bien establecido de cómo se forman las estructuras cósmicas".

"Una de las razones por las que estas fluctuaciones a pequeña escala son tan interesantes es que codifican información sobre la temperatura del gas en la red cósmica solo unos pocos miles de millones de años después del Big Bang, "explicó Hennawi.

Los astrónomos creen que la materia en el universo pasó por transiciones de fase hace miles de millones de años, que cambió drásticamente su temperatura. Conocido como reionización cósmica, estas transiciones ocurrieron cuando el resplandor ultravioleta colectivo de todas las estrellas y quásares del universo se volvió lo suficientemente intenso como para quitar electrones de los átomos en el espacio intergaláctico. Cómo y cuándo ocurrió la reionización es una de las mayores preguntas abiertas en el campo de la cosmología, y estas nuevas medidas proporcionan pistas importantes que ayudarán a narrar este capítulo de la historia cósmica.