Els astrònoms detecten la llum de les primeres estrelles de l'Univers

Les sorpreses en el senyal de l'alba còsmic també al·ludeixen a la presència de matèria fosca.

Un radiotelescopi a Austràlia Occidental ha detectat un signe de la llum de les primeres estrelles de l'Univers.

Els astrònoms han detectat per primera vegada senyals de llum llargament buscades de les primeres estrelles que es van formar a l'Univers, al voltant de 180 milions d'anys després del Big Bang.

El senyal és una empremta dactilar deixada en la radiació de fons per l'hidrogen que va absorbir part d'aquesta llum primordial. L'evidència suggereix que el gas que componia l'Univers primitiu era més fred del que es va predir. Això, diuen els físics, és un possible signe de la influència de la matèria fosca. Si es confirma, el descobriment podria marcar la primera vegada que la matèria fosca ha estat detectada a través d'alguna cosa més que els seus efectes gravitacionals.

"Aquesta és la primera vegada que veiem un senyal d'aquest començament de l'Univers, a part de la resplendor del Big Bang", diu Judd Bowman, astrònom de la Universitat Estatal d'Arizona a Tempe, que va dirigir l'obra, que es va publicar en Nature1 el 28 de febrer. "Si és cert, aquesta és una notícia important", diu Saleem Zaroubi, cosmòleg de la Universitat de Groningen, als Països Baixos. Altres equips hauran de confirmar el senyal però, fins ara, la troballa sembla ser sòlida, diu. "És una cosa molt emocionant. Aquest és un període en la història de l'Univers del que sabem molt poc".

Espurnes d'estrelles

Els físics creuen que el Big Bang, fa 13.800 milions d'anys, va generar un plasma ionitzat que es refreda ràpidament a mesura que l'Univers s'expandeix. Després d'uns 370.000 anys, aquesta sopa començar a formar àtoms neutres d'hidrogen. Amb el pas del temps -i sota la influència de la gravetat- aquests es van aglutinar formant estrelles que es van encendre. Aquesta transició es coneix com l'alba còsmica.

La llum d'aquestes estrelles ara seria tan feble que la seva detecció amb telescopis basats en la Terra és gairebé impossible. Però els astrònoms han esperat durant molt de temps veure-ho indirectament: la llum hauria canviat subtilment el comportament de l'hidrogen que una vegada va omplir l'espai entre les estrelles. Aquest canvi hauria permès que el gas hidrogen absorbís la radiació de fons de microones (CMB) -la brillantor posterior del Big Bang- a una longitud d'ona característica de 21 centímetres, el que deixa una immersió en la intensitat del CMB.

Per buscar la senyal, l'equip va utilitzar un radiotelescopi anomenat Experiment to Detect the Global Epoch of Reionization Signature "Edges" (Experiment per detectar la signatura global de l'època de la reionització), amb seu al Murchison Ràdio-astronomy Observatory a Austràlia Occidental. A causa de que la nostra pròpia galàxia i la ràdio FM generada per l'home generen ones en la mateixa banda que el senyal, detectar la immersió significava filtrar acuradament aquestes fonts més poderoses. Però Bowman i els seus col·legues aviat van trobar el senyal pronosticada en la freqüència que esperaven. I tot i ser una insignificant caiguda de 0.1% en la radiació, encara era el doble de la magnitud pronosticada. La troballa va ser tan severa que els investigadors van passar dos anys per comprovar que no provenia d'un efecte instrumental o soroll. Fins i tot van construir una segona antena i van apuntar els seus instruments a diferents trossos de cel en diferents moments. Després de dos anys, vam passar totes aquestes proves i no vam poder trobar una explicació alternativa", diu Bowman."En aquell moment, vam començar a sentir emoció".

La radiació d'aquest període arriba estirada per l'expansió de l'Univers, significant que la banda a la qual es va trobar el senyal revela la seva edat. Això va permetre a l'equip a la data del darrer inici de l'alba còsmic a 180 milions d'anys després del Big Bang. La desaparició del senyal revela una segona fita: quan els raigs X més energètics de les primeres estrelles mortes van elevar la temperatura del gas i van apagar el senyal. L'equip de Bowman situa aquesta, al voltant de 250 milions d'anys després del Big Bang.

Comprendre aquestes estrelles primordials és important no només perquè van modelar la matèria al seu voltant, sinó també perquè les seves explosives morts van crear la sopa d'elements més pesats, com el carboni i l'oxigen, dels quals posteriorment es van formar les estrelles, diu Bowman. "Si realment volem entendre l'escala còsmica dels nostres orígens, aquest és un pas crític per entendre-ho", diu.

Bressol còsmic

"Mentre que el senyal va aparèixer en una freqüència esperada, la seva força va ser totalment inesperada", diu Rennan Barkana, cosmòleg de la Universitat de Tel Aviv a Israel. "Em vaig quedar bastant sorprès", diu Barkana, que ha publicat un segon article relacionat amb Nature2, on diu que la força suggereix que hi va haver més radiació de la que s'esperava a l'alba còsmica, o que el gas era més fred del previst. Tots dos serien "molt estranys i inesperats", diu.

L'única explicació que té sentit per Barkana és que el gas va ser refredat per alguna cosa. Això apunta a la matèria fosca, diu, que les teories suggereixen que hauria d'haver estat freda a l'alba còsmic. Els resultats també suggereixen que la matèria fosca hauria de ser més clara del que la teoria dominant indica, diu Barkana. Això podria ajudar a explicar per què els físics no han pogut observar directament la matèria fosca, en experiments que s'han estès durant dècades. Si això és cert, hem de dissenyar nous tipus d'experiments per veure-ho, afegeix.

Clic a les imatges per engrandir

Per ara, el senyal de l'alba còsmica és una temptativa. Però altres experiments estan alineats per investigar-ho. La majoria dels radio-astrònoms havien estat buscant altres senyals d'hidrogen d'un període posterior en la història de l'Univers. Un d'aquests experiments de desenvolupament, el Hydrogen Epoch of Reionization Array, un projecte internacional de radiotelescopi basat en el desert de Karoo, Sud-àfrica, està sent adaptat per detectar senyals en les longituds d'ona explorades per l'equip de Bowman. S'espera que pugui repetir els seus resultats en els propers anys.

Altres experiments, com LOFAR (Low-Frequency Array), un gran sistema d'antenes de ràdio repartides per cinc països europeus, haurien de ser capaços de fer un pas més enllà i mapejar com fluctua la intensitat del senyal a través del cel. I si la causa del senyal fort és la matèria fosca, hauria de ser visible com un patró distintiu. "Estem ansiosos per un altre instrument per a confirmar-ho", diu Bowman.

Hem estat tractant d'estudiar el període en què les estrelles es van formar per primera vegada durant 35 anys, diu Martha Haynes, astrònoma de la Universitat de Cornell a Ithaca, Nova York. "Estic emocionada de pensar que finalment hem detectat el senyal buscat durant tant de temps.

Ho he vist aquí.