La representación de este artista muestra la primera del universo, masivo, estrellas azules incrustadas en filamentos gaseosos, con el fondo cósmico de microondas apenas visible en los bordes. Usando observaciones de radio del universo distante, Investigadores financiados por la NSF Judd Bowman de la Universidad Estatal de Arizona, Alan Rogers del MIT y sus colegas descubrieron la influencia de estrellas tan tempranas en el gas primordial. Aunque no pueden ver directamente la luz de las estrellas masivas, El equipo de Bowman pudo inferir su presencia a partir de la atenuación del fondo cósmico de microondas (CMB), como resultado de los filamentos gaseosos que absorben la luz ultravioleta de las estrellas. El CMB es más tenue de lo esperado, indicando que los filamentos pueden haber estado más fríos de lo esperado, posiblemente por interacciones con la materia oscura. Crédito:N.R.Fuller, Fundación Nacional de Ciencia
Hace mucho tiempo, alrededor de 400, 000 años después del comienzo del universo (el Big Bang), el universo estaba oscuro. No había estrellas ni galaxias y el universo estaba lleno principalmente de gas hidrógeno neutro.
Luego, durante los próximos 50-100 millones de años, la gravedad juntó lentamente las regiones más densas de gas hasta que finalmente el gas colapsó en algunos lugares para formar las primeras estrellas.
¿Cómo fueron esas primeras estrellas y cuándo se formaron? ¿Cómo afectaron al resto del universo? Estas son preguntas que los astrónomos y astrofísicos han reflexionado durante mucho tiempo.
Ahora, después de 12 años de esfuerzo experimental, un equipo de científicos, dirigido por el astrónomo Judd Bowman de la Escuela de Exploración de la Tierra y el Espacio de la ASU, ha detectado las huellas dactilares de las primeras estrellas del universo. Usando señales de radio, la detección proporciona la primera evidencia de los antepasados más antiguos de nuestro árbol genealógico cósmico, nacido apenas 180 millones de años después del comienzo del universo.
"Hubo un gran desafío técnico para realizar esta detección, ya que las fuentes de ruido pueden ser mil veces más brillantes que la señal, es como estar en medio de un huracán y tratar de escuchar el aleteo de un colibrí ", dice Peter Kurczynski, el oficial del programa de la National Science Foundation que apoyó este estudio. "Estos investigadores con una pequeña antena de radio en el desierto han visto más lejos que los telescopios espaciales más potentes, abriendo una nueva ventana sobre el universo temprano ".
En cada instrumento, Las ondas de radio son recogidas por una antena que consta de dos paneles de metal rectangulares montados horizontalmente sobre patas de fibra de vidrio sobre una malla de metal. La detección EDGES requirió silencio de radio en el Observatorio de Radioastronomía de Murchison, ya que la legislación nacional australiana limita el uso de transmisores de radio cerca del sitio. Este descubrimiento prepara el terreno para las observaciones de seguimiento con otras potentes instalaciones de baja frecuencia, incluyendo HERA y el próximo SKA-low. Crédito:CSIRO Australia
Astronomía radial
Para encontrar estas huellas dactilares, El equipo de Bowman utilizó un instrumento terrestre llamado espectrómetro de radio, ubicado en la agencia nacional de ciencia de Australia (CSIRO) Murchison Radio-Astronomy Observatory (MRO) en Australia Occidental. A través de su experimento para detectar la firma EoR global (EDGES), el equipo midió el espectro de radio promedio de todas las señales astronómicas recibidas en la mayor parte del cielo del hemisferio sur y buscó pequeños cambios en la potencia en función de la longitud de onda (o frecuencia).
Cuando las ondas de radio ingresan a la antena terrestre, son amplificados por un receptor, y luego digitalizado y registrado por computadora, similar a cómo funcionan los receptores de radio FM y los receptores de TV. La diferencia es que el instrumento está calibrado con mucha precisión y diseñado para funcionar de la manera más uniforme posible en muchas longitudes de onda de radio.
Las señales detectadas por el radio espectrómetro en este estudio provinieron del gas hidrógeno primordial que llenaba el joven universo y existía entre todas las estrellas y galaxias. Estas señales contienen una gran cantidad de información que abre una nueva ventana sobre cómo las estrellas tempranas, y más tarde, agujeros negros, y galaxias - formadas y evolucionadas.
"Es poco probable que podamos ver algo más temprano en la historia de las estrellas en nuestras vidas, ", dice Bowman." Este proyecto muestra que una nueva técnica prometedora puede funcionar y ha allanado el camino durante décadas de nuevos descubrimientos astrofísicos ".
Esta detección destaca la excepcional tranquilidad de radio del MRO, particularmente porque la característica encontrada por EDGES se superpone al rango de frecuencia utilizado por las estaciones de radio FM. La legislación nacional australiana limita el uso de transmisores de radio dentro de 161.5 millas (260 km) del sitio, reduciendo sustancialmente la interferencia que de otro modo podría ahogar las observaciones astronómicas sensibles.
Los resultados de este estudio se han publicado recientemente en Naturaleza por Bowman, con los coautores Alan Rogers del Observatorio Haystack del Instituto de Tecnología de Massachusetts, Raul Monsalve de la Universidad de Colorado, y Thomas Mozdzen y Nivedita Mahesh también de la Escuela de Exploración de la Tierra y el Espacio de ASU.
Una línea de tiempo del universo actualizado para mostrar cuándo surgieron las primeras estrellas. Esta línea de tiempo actualizada del universo refleja el reciente descubrimiento de que las primeras estrellas surgieron 180 millones de años después del Big Bang. La investigación detrás de esta línea de tiempo fue realizada por Judd Bowman de la Universidad Estatal de Arizona y sus colegas, con financiación de la National Science Foundation. Crédito:N.R.Fuller, Fundación Nacional de Ciencia
Resultados inesperados
Los resultados de este experimento confirman las expectativas teóricas generales de cuándo se formaron las primeras estrellas y las propiedades más básicas de las primeras estrellas.
"¿Qué está pasando en este período, "dice el coautor Rogers del Observatorio Haystack del MIT, "es que parte de la radiación de las primeras estrellas está comenzando a permitir que se vea el hidrógeno. Está causando que el hidrógeno comience a absorber la radiación de fondo, para que empieces a verlo en silueta, en determinadas frecuencias de radio. Esta es la primera señal real de que las estrellas comienzan a formarse, y comenzando a afectar el medio que los rodea ".
El equipo originalmente afinó su instrumento para mirar más tarde en el tiempo cósmico, pero en 2015 decidió ampliar su búsqueda. "Tan pronto como cambiamos nuestro sistema a este rango más bajo, comenzamos a ver cosas que sentimos que podrían ser una firma real, ", Dice Rogers." Vemos esta caída con más fuerza en aproximadamente 78 megahercios, y esa frecuencia corresponde a aproximadamente 180 millones de años después del Big Bang, ", Dice Rogers." En términos de detección directa de una señal del propio gas hidrógeno, esto tiene que ser el más temprano ".
El estudio también reveló que el gas en el universo probablemente estaba mucho más frío de lo esperado (menos de la mitad de la temperatura esperada). Esto sugiere que los esfuerzos teóricos de los astrofísicos han pasado por alto algo significativo o que esta puede ser la primera evidencia de física no estándar:específicamente, que los bariones (materia normal) pueden haber interactuado con la materia oscura y haber perdido lentamente energía en la materia oscura en el universo temprano, un concepto que fue propuesto originalmente por Rennan Barkana de la Universidad de Tel Aviv.
"Si se confirma la idea de Barkana, "dice Bowman, "luego hemos aprendido algo nuevo y fundamental sobre la misteriosa materia oscura que constituye el 85 por ciento de la materia en el universo, proporcionando la primera visión de la física más allá del modelo estándar ".
Los próximos pasos en esta línea de investigación son que otro instrumento confirme la detección de este equipo y siga mejorando el rendimiento de los instrumentos, para que se pueda aprender más sobre las propiedades de las estrellas tempranas. "Trabajamos muy duro durante los últimos dos años para validar la detección, "dice Bowman, "pero que otro grupo lo confirme de forma independiente es una parte fundamental del proceso científico".
A Bowman también le gustaría ver una aceleración de los esfuerzos para incorporar nuevos radiotelescopios como el Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA) y el Owens Valley Long Wavelength Array (OVRO-LWA).
"Ahora que sabemos que existe esta señal, "dice Bowman, "Necesitamos poner rápidamente en línea nuevos radiotelescopios que puedan extraer la señal mucho más profundamente".
Las antenas y partes del receptor utilizadas en este experimento fueron diseñadas y construidas por Rogers y el equipo del Observatorio Haystack del MIT. El equipo de ASU y Monsalve agregaron el sistema automático de medición de reflexión de la antena al receptor, equipó la caseta de control con la electrónica, construyó el plano de tierra y realizó el trabajo de campo para el proyecto. La versión actual de EDGES es el resultado de años de iteración de diseño y perfeccionamiento técnico detallado continuo de la instrumentación de calibración para alcanzar los niveles de precisión necesarios para lograr con éxito esta difícil medición.
