El experimento Sci-HI:  tras la búsqueda de las primeras estrellas en el Universo

Las islas han jugado un papel fundamental en el descubrimiento y comprensión de la evolución de los seres vivos. Los estudios  de  Charles Darwin y Alfred Russell Wallace durante el siglo XIX revelaron que la selección natural es el mecanismo detrás de la evolución de las especies. Las islas son consideradas las unidades mínimas en donde se puede observar a la evolución en acción. Darwin y Wallace entendieron que la evolución de las especies opera a través de variaciones y su relación con condiciones del medio ambiente. Las variaciones favorables sobreviven. En el siglo XX el naturalista Robert MacArthur y E. O. Wilson descubrieron que el número de especies que puede albergar una isla es proporcional a su área. Islas más grandes pueden sostener un mayor número de especies.

 Se muestra la localización de la Isla Guadalupe (lat: 28o 58 ́24 ̋ N, long: 118o 18 ́4 ̋ O). También se muestra la ubicación del sitio seleccio- nado. Por ser la Isla Guadalupe una Reserva de la Biosfera, Sci-HI será retirada de la isla una vez terminadas las observaciones. Se está bus- cando la promoción de leyes para proteger a la Isla Guadalupe como zona radio-silente, este también es un recurso natural cada vez más escaso.

Se muestra la localización de la Isla Guadalupe (lat: 28o 58 ́24 ̋ N, long: 118o 18 ́4 ̋ O). También se muestra la ubicación del sitio seleccio- nado. Por ser la Isla Guadalupe una Reserva de la Biosfera, Sci-HI será retirada de la isla una vez terminadas las observaciones. Se está bus- cando la promoción de leyes para proteger a la Isla Guadalupe como zona radio-silente, este también es un recurso natural cada vez más escaso.

Sin embargo, ni Darwin ni Wallace se aventuraron a anticipar que el Universo mismo estaba evolucionando. Al adentrarnos en el siglo XXI, las islas adquieren un nueva relevancia en el papel de la evolución en su significado más amplio, al brindarnos condiciones únicas para la exploración del Universo cuando se formaron las primeras estrellas. El aislamiento y la lejanía de las islas nos brindan los cielos más oscuros, y a su vez nos brindan zonas radio silentes, donde no llegan las ondas de radio y televisión.

El modelo cosmológico basado en la teoría de la Gran Explosión o Big Bang es el paradigma que ha guiado para entender el origen y la evolución del universo. El Universo tiene su origen en un evento que demarcó la creación del espacio y el tiempo hace aproximadamente 13.7 mil millones de años. Todo el universo se encontraba confinado a una región casi puntual; la densidad y temperatura eran tan altas que escapan a nuestro entendimiento. Las leyes de la física que conocemos se rompen al tratar de llevarlas a una región donde hasta las dimensiones del espacio y el tiempo se confunden.

Tendría que pasar mucho tiempo para que pudiésemos reconocer a los primeros átomos. El fondo de radiación cósmica nos informa sobre las condiciones que tenía el universo al bajar su densidad lo suficiente para volverse transparente y dejar escapar a la luz por primera vez. Este suceso tan importante ocurrió  600 mil años después del Big Bang y durante este periodo la temperatura era de 3 mil 500 grados centígrados.

Por más de 300 millones de años el universo permaneció sumido en una Edad Oscura, un manto gaseoso compuesto de hidrógeno y helio lo cubría. Durante esta época se formaron las primeras estrellas. Se cree que eran muy calientes y que llegaban a tener más de 100 veces la masa del Sol. Aparentemente estos astros tendrían una vida muy corta, pero contribuirían dramáticamente al enriquecimiento químico del Universo, serían crisoles donde se generarían el resto de los elementos de la tabla periódica.

Los elementos más pesados que el hidrógeno, el helio y el litio, generados por esas primeras estrellas, permitieron la conformación de una segunda generación de estrellas. Es aquí cuando comienzan a formarse los primeros cuásares y galaxias. La luz de dichos objetos contribuyó para la ionización, es decir, el proceso mediante el cual interaccionan los fotones (partículas de luz) con los átomos. Si la energía de los fotones es suficiente, es posible la expulsión de uno o del total de los electrones ligados a dicho átomo del medio circundante.

El ejemplo más sencillo es la ionización del átomo de hidrógeno, el átomo más simple. En su forma normal solo tiene un protón y un electrón.  La luz ultravioleta puede ionizarlo, es decir le puede arrancar al electrón.

De 300 a 900 millones de años después del Big Bang el universo pasó por la Época de la Reionización, etapa de transición donde los procesos que —suponemos— tuvieron lugar, se encuentran bien caracterizados desde el punto de vista de la física.

Sin embargo, hasta el momento no existe observación alguna para comprobarlos. La forma más prometedora para explorar la Época Oscura es mediante la detección de la radiación que produce el átomo de hidrógeno. El hidrógeno neutro (HI) produce una emisión característica, conocida como la transición de 21cm, por producirse en la longitud de onda de 21.1061 cm, lo cual equivale a 1420.4057 MHz en frecuencia. Dicha transición es común en nuestra galaxia y en otras galaxias ricas en HI.

La emisión del hidrógeno de 21 cm cae en el rango donde operan los teléfonos celulares, muy cerca de la longitud de onda de operación de los transmisores de Internet inalámbricos y los hornos de microondas. Sin embargo, si queremos detectar la emisión de 21cm antes de la Época Oscura entonces tenemos que buscar en longitudes de onda más largas.

Debido a la expansión del Universo, la emisión de 21 cm ahora se debe de buscar a longitudes de onda mayores de 4 metros. En este rango operan la televisión y la radio de FM. Existen muy pocos lugares en la Tierra libres de la presencia de ondas radio o televisión, a tales lugares les llamaremos zonas radiosilentes.

El eje x representa la frecuencia y el eje y representa el logaritmo de cantidad de energía detectada por unidad de tiempo y unidad de área, a lo que llamamos flujo. Arecibo muestra fuerte emisión de tele- fonía celular, radio y televisión (200-100 MHz). La Isla Guadalupe pre- senta un espectro prácticamente limpio de la actividad humana, por lo tanto deseamos reportar que hemos descubierto en la Isla Guadalupe en el Pacífico Mexicano una de las mejores zonas radio- silentes del mundo.

El eje x representa la frecuencia y el eje y representa el logaritmo de cantidad de energía detectada por unidad de tiempo y unidad de área, a lo que llamamos flujo. Arecibo muestra fuerte emisión de tele- fonía celular, radio y televisión (200-100 MHz). La Isla Guadalupe pre- senta un espectro prácticamente limpio de la actividad humana, por lo tanto deseamos reportar que hemos descubierto en la Isla Guadalupe en el Pacífico Mexicano una de las mejores zonas radio- silentes del mundo.

Para la exploración de la Época Oscura es necesario buscar las mejores zonas radiosilentes. Hemos iniciado una exploración para identificar zonas libres de ondas de radio en el mundo. Cabe mencionar que en algunos países, como EEUU, Canadá, Australia y México se ha promovido legislación para proteger las zonas donde se concentran los radio telescopios. Sin embargo, ni siquiera esos lugares están fuera del alcance de las emisoras  de radio y televisión.

En México iniciamos exploraciones en 2010, para establecer la colaboración a la que se ha denominado Sonda Cosmológica de las Isla Guadalupe para la detección de Hidrógeno Neutro (Sci-HI). La primera región explorada fue la Zona del Silencio, entre Coahuila, Chihuahua y Durango. Resultó alentador percatarnos de que la Zona del Silencio es mejor que el sitio del Observatorio Radio-Astronómico Nacional en Green Bank, EEUU. Al reconocer el potencial que ofrecían las islas del Pacífico Mexicano como zonas radiosilentes de alta calidad, decidimos explorar la Isla Guadalupe en junio de 2011.

Sci-HI dio con un gran hallazgo, la Isla Guadalupe presenta un espectro prácticamente limpio de ondas de radio artificiales y está casi libre de actividad humana, por lo tanto es una de las  mejores zonas radiosilentes en el mundo.

Sci-HI es una colaboración internacional donde participan científicos de la Universidad Carnegie Mellon de EEUU, el Instituto Canadiense de Astrofísica Teórica y la Universidad de Bristol en el Reino Unido; mientras que por México participan investigadores del Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica, el Centro de Investigación y Estudios Avanzados del IPN, el Instituto de Astronomía de la UNAM, la Escuela Superior de Física y Matemáticas del IPN, el Instituto de Investigaciones Nucleares, el Grupo de Ecología y Conservación de Islas, A.C. (GECI), la Reserva de la Biosfera Isla Guadalupe, con el apoyo de la Secretaría de Gobernación y la Secretaría de Marina.

La primera etapa del proyecto ya se completó al identificar el sitio ideal para colocar y operar el instrumento experimental para detectar la emisión de 21 cm al final de la Época Oscura. Estamos entrando a la etapa de diseño, construcción y caracterización de dicha sonda. En esta segunda etapa hemos probado dos prototipos para Sci-HI durante octubre de 2012 y mayo de 2013. La tercera y última etapa contempla la operación del experimento Sci-HI por tres años, obtención y análisis de los datos. En 2014 publicamos resultados preliminares donde establecimos el primer límite superior para la detección de la formación de las primeras estrellas en el Universo.

Con este proyecto México se colocará a la vanguardia en la exploración del Universo en una de las etapas cruciales de su evolución. El proyecto Sci-HI contempla la formación de recursos humanos altamente calificados en cosmología e instrumentación desde nivel preuniversitario hasta posgrado.

Biólogos y ecólogos de GECI y de la Reserva de la Biosfera Isla Guadalupe están colaborando con Sci-HI para causar el  menor impacto posible sobre los ecosistemas insulares. De la misma forma con la que se conducen experimentos en Antártica, Sci-HI removerá todos los instrumentos, una vez terminado el experimento. A su vez, Sci-HI ha iniciado la promoción de legislación para conservación de la isla como zona radiosilente, puesto que este es un recurso natural cada vez más escaso.

omarlx@inaoep.mx · cptorres@ucol.mx · cynthia_lezama@ucol.mx