Nuestra comprensión actual de la física sugiere que hay dos tipos principales de materia en el universo conocidos como materia oscura y bariónica. La materia oscura está compuesta de material que los científicos no pueden observar directamente. ya que no emite luz ni energía. Por otra parte, La materia bariónica está formada por materia atómica normal, incluidos los protones, neutrones y electrones.

En contraste con la materia oscura, la materia bariónica puede interactuar con los fotones, dando lugar a lo que se conoce como oscilaciones acústicas bariónicas (BAO), que son esencialmente fluctuaciones en la densidad causadas por ondas acústicas. Mientras produce BAO, las mismas interacciones también generan velocidades relativas supersónicas entre la materia oscura y los bariones.

Se sabe que estas velocidades generadas impiden la formación de las primeras estrellas en el amanecer cósmico, la era posterior al Big Bang cuando aparecieron las primeras estrellas y galaxias, modulando la señal esperada de esta era específica. En un fascinante estudio de dos partes, un investigador de la Universidad de Harvard ha demostrado recientemente que esta modulación de señal toma la forma de oscilaciones acústicas inducidas por velocidad (VAO), lo que a su vez podría proporcionar información valiosa sobre la era del amanecer cósmico.

"La idea de que la materia oscura y los bariones tienen una gran velocidad relativa existe desde 2010, "Julian B. Muñoz, el investigador que realizó el estudio, dijo Phys.org. "De hecho, ese mismo año, otros investigadores se dieron cuenta de que esta velocidad relativa tendría un gran impacto en la formación de las primeras estrellas. Si bien no podemos ver directamente estas estrellas, ya que están muy lejos y en la penumbra, pueden detectarse indirectamente utilizando la línea de hidrógeno de 21 cm ".

Cuando Muñoz empezó a trabajar en su proyecto, inicialmente quería implementar los efectos de la velocidad relativa utilizando un código de simulación público conocido como 21cmFAST, que es la herramienta estándar utilizada por los cosmólogos para comprender la señal cósmica de 21 cm. Luego presentó los resultados de estas simulaciones en un artículo publicado en Revisión física D .

"Mientras realizo mis simulaciones, Me di cuenta de que sumar las velocidades produce oscilaciones acústicas inducidas por velocidad (VAO) robustas en la señal de 21 cm, que tienen el mismo origen que las oscilaciones acústicas bariónicas (BAO) a las que estamos acostumbrados, pero son producidos por velocidades relativas, y no densidades excesivas / insuficientes, ", Dijo Muñoz." Estos VAO imprimen la escala acústica bariónica de 150 Mpc en los mapas de 21 cm, que luego se puede utilizar como regla estándar ".

En un nuevo artículo publicado en Cartas de revisión física , Muñoz luego introdujo la idea de que los VAO que en última instancia surgen del acoplamiento de materia bariónica y fotones dan como resultado una señal de 21 cm (normalmente utilizada para detectar estrellas) que oscila espacialmente, con un período conocido de 150 Mpc (aproximadamente 450 millones de años luz). Luego sugiere que, como se conoce la forma y las características de estas oscilaciones, pueden usarse como una regla estándar para medir el tamaño del universo durante el amanecer cósmico (es decir, un cuarto de billón de años después del Big Bang).

La idea presentada por Muñoz es fascinante por decir lo mínimo, ya que los astrofísicos actualmente no tienen otra forma de acceder a esta era cósmica específica. En otras palabras, esta medida o 'regla estándar' sería la primera de su tipo, abriendo nuevas e interesantes posibilidades para estudios relacionados con la señal de 21 cm, como el proyecto de matriz de reionización de la época del hidrógeno (HERA).

El proyecto HERA es una colaboración entre astrofísicos e investigadores de EE. UU., Instituciones sudafricanas y británicas tenían como objetivo construir un telescopio que pueda detectar de manera robusta la firma del espectro de energía de hidrógeno desplazada al rojo de la época de reionización (EOR). Otro objetivo de este proyecto será la recopilación de datos que podrían ampliar la comprensión actual de la era del amanecer cósmico.

"Uno de los objetivos de mi proyecto era incluir las velocidades relativas en el código público de 21 cm 21cmFAST, ya que cambian todas las predicciones durante el amanecer cósmico, Dijo Muñoz. Esto es necesario para entender la señal de 21 cm que se espera que se detecte en los próximos años. por ejemplo, por la colaboración de HERA ".

Como continúa explicando Muñoz, la modulación inducida por los VAO es un fenómeno interesante en sí mismo, a medida que la física acústica de los bariones se imprime en la distribución de las primeras estrellas y, por tanto, en mapas de 21 cm. Precisamente porque se conoce la física acústica de los bariones, estas velocidades podrían proporcionar una regla estándar robusta durante el amanecer cósmico.

"Medir el tamaño del universo durante el amanecer cósmico sería emocionante, Dado que esta era está a medio camino entre el fondo cósmico de microondas (CMB) y el universo local, que están en desacuerdo sobre las mediciones del tamaño del universo (la famosa tensión H0 entre supernovas y datos de CMB), "Dijo Muñoz.

La colaboración de HERA pronto comenzará a recopilar datos relacionados con la señal de potencia de 21 cm emitida en el amanecer cósmico. Una vez que estos datos estén disponibles, podría usarse para medir la tasa de expansión del universo durante el amanecer cósmico, una era que hasta ahora ha sido un misterio debido a la falta de herramientas para investigarla. Cuando esto pasa, las ideas introducidas por Muñoz podrían resultar sumamente valiosas, ya que destacan el posible uso de las VAO como regla estándar durante esta época no probada previamente.

Si bien la teoría presentada en este proyecto podría ser de gran valor, algunos aspectos de las VAO aún no se conocen bien. En su trabajo futuro, Muñoz planea seguir investigando VAO, por ejemplo, tratando de comprender mejor cómo modulan la retroalimentación sobre la primera formación estelar, que actualmente no está claro.

"También tengo la intención de perfeccionar las previsiones, incluidos modelos de ruido y de primer plano más complejos, que imitan a los del instrumento HERA, dado que es muy probable que HERA observe estos VAO en la próxima década, "Dijo Muñoz.

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