Crédito de imagen: NASA
Los astrónomos que desean estudiar el universo primitivo enfrentan un problema fundamental. ¿Cómo observas lo que existió durante las "edades oscuras", antes de que se formaran las primeras estrellas para iluminarlo? Los teóricos Abraham Loeb y Matias Zaldarriaga (Centro Harvard-Smithsoniano de Astrofísica) han encontrado una solución. Calcularon que los astrónomos pueden detectar los primeros átomos en el universo primitivo buscando las sombras que proyectan.
Para ver las sombras, un observador debe estudiar el fondo cósmico de microondas (CMB): radiación que queda de la era de la recombinación. Cuando el universo tenía unos 370,000 años, se enfrió lo suficiente como para que los electrones y protones se unieran, recombinándose en átomos de hidrógeno neutros y permitiendo que la reliquia de la radiación CMB del Big Bang viajara casi sin obstáculos por el cosmos durante los últimos 13 mil millones de años.
Con el tiempo, algunos de los fotones CMB encontraron grupos de gas hidrógeno y fueron absorbidos. Al buscar regiones con menos fotones, regiones que están sombreadas por el hidrógeno, los astrónomos pueden determinar la distribución de la materia en el universo primitivo.
"Hay una enorme cantidad de información impresa en el cielo de microondas que podría enseñarnos sobre las condiciones iniciales del universo con una precisión exquisita", dijo Loeb.
Inflación y materia oscura
Para absorber los fotones CMB, la temperatura del hidrógeno (específicamente su temperatura de excitación) debe ser inferior a la temperatura de la radiación CMB, condiciones que existían solo cuando el universo tenía entre 20 y 100 millones de años (edad del Universo: 13.7 mil millones de años). Casualmente, esto también es mucho antes de la formación de estrellas o galaxias, abriendo una ventana única a las llamadas "edades oscuras".
Estudiar las sombras CMB también permite a los astrónomos observar estructuras mucho más pequeñas de lo que era posible utilizando instrumentos como el satélite Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP). La técnica de sombra puede detectar acumulaciones de hidrógeno tan pequeñas como 30,000 años luz en el universo actual, o el equivalente de solo 300 años luz en el universo primordial. (La escala se hizo más grande a medida que el universo se expandió). Dicha resolución es un factor 1000 veces mejor que la resolución de WMAP.
“Este método ofrece una ventana a la física del universo primitivo, es decir, la época de la inflación durante la cual se cree que se produjeron fluctuaciones en la distribución de la materia. Además, podríamos determinar si los neutrinos o algún tipo de partícula desconocida contribuyen sustancialmente a la cantidad de "materia oscura" en el universo. Estas preguntas, lo que sucedió durante la época de inflación y lo que es la materia oscura, son problemas clave en la cosmología moderna cuyas respuestas arrojarán ideas fundamentales sobre la naturaleza del universo ", dijo Loeb.
Un desafío de observación
Los átomos de hidrógeno absorben los fotones CMB a una longitud de onda específica de 21 centímetros (8 pulgadas). La expansión del universo estira la longitud de onda en un fenómeno llamado desplazamiento al rojo (porque una longitud de onda más larga es más roja). Por lo tanto, para observar una absorción de 21 cm del universo primitivo, los astrónomos deben observar longitudes de onda más largas de 6 a 21 metros (20 a 70 pies), en la porción de radio del espectro electromagnético.
La observación de sombras CMB en longitudes de onda de radio será difícil debido a la interferencia de fuentes de cielo en primer plano. Para recopilar datos precisos, los astrónomos tendrán que usar la próxima generación de radiotelescopios, como la matriz de baja frecuencia (LOFAR) y la matriz de kilómetros cuadrados (SKA). Aunque las observaciones serán un desafío, la recompensa potencial es excelente.
"Hay una mina de oro de información a la espera de ser extraída. Si bien su detección completa puede ser un desafío experimental, es gratificante saber que existe y que podemos intentar medirlo en el futuro cercano ", dijo Loeb.
Esta investigación se publicará en un próximo número de Physical Review Letters, y actualmente está disponible en línea en http://arxiv.org/abs/astro-ph/0312134.
Con sede en Cambridge, Massachusetts, el Centro Harvard-Smithsoniano de Astrofísica es una colaboración conjunta entre el Observatorio Astrofísico Smithsoniano y el Observatorio Harvard College. Los científicos de CfA, organizados en seis divisiones de investigación, estudian el origen, la evolución y el destino final del universo.
Fuente original: Comunicado de prensa de Harvard CfA
