Las primeras estrellas en el Universo

En su vuelo por la noche noche,
también éstas se deshacen;
ya se forman las estrellas.

Y se ponen a brillar.
Ya se forman las estrellas.
Y se ponen a brillar.

Opera Cósmica de George Gamow,  
El Breviario del Sr. Tompkins, FCE 

 

 

 

Mientras los científicos y el público apenas nos recuperamos del revuelo que ha causado el descubrimiento de la primera contraparte óptica de una fuente de ondas gravitacionales (S&C no. 69); la emoción ha vuelto a elevarse. El pasado 28 de febrero Nature, la revista científica de mayor impacto, anunció el descubrimiento de la época de la formación de las primeras estrellas en el Universo. Esto nos ha caído como un balde de agua fría.

 El mejor modelo que se tenía de la formación de las primeras es que fue caótica. Al final de la época oscura la marca la formación de las primeras galaxias a un corrimiento al rojo (redshift) aproximado a 20; es decir, cuando la línea de 21 cm se encuentra corrida a unos 65 megahercios. Esto marca que el universo es calentado por la formación de las primeras estrellas.

El mejor modelo que se tenía de la formación de las primeras es que fue caótica. Al final de la época oscura la marca la formación de las primeras galaxias a un corrimiento al rojo (redshift) aproximado a 20; es decir, cuando la línea de 21 cm se encuentra corrida a unos 65 megahercios. Esto marca que el universo es calentado por la formación de las primeras estrellas.

La persecución de la época de la formación de las primeras estrellas en el universo ha sido una locura, si es que así se le puede llamar a una búsqueda donde siempre se tuvo una idea errónea de lo que se buscaba. La construcción de los telescopios gigantescos que marcarán al siglo XXI ha comenzado. El telescopio Extremely Large Telescope (ELT) con 30 metros de diámetro, así como el radio telescopio Square Kilometer Array (SKA) con un área colectora equivalente a un kilómetro cuadrado, ya están en proceso de construcción. Estos telescopios demandan inversiones de miles de millones de dólares.

El modelo aceptado de la formación del universo lleva un nombre vulgar: Big Bang. No es ni siquiera un nombre, más bien es una onomatopeya: su traducción al español sería “Gran Pum”. Fue Sir Fred Hoyle quien bautizó con ese nombre al modelo propuesto por George Gamow y sus colaboradores, quienes vislumbraron que el universo no había existido por siempre, que tenía un origen que asemejaba a una explosión. Era una época de gran controversia, suponer que podríamos llegar a tener un modelo fundamental sobre la creación y evolución del universo era un proyecto que apenas comenzaba. Al gran físico Soviético Lev Landau, se le achaca la famosa frase “Siempre equivocados, pero siempre firmes en sus convicciones”, al referirse a los cosmólogos.

El establecimiento de un modelo cosmológico comenzó en 1965, cuando Arno Penzias y William Wilson descubrieron el fondo de radiación cósmica. Esta luz que llena todo el universo, nos dice que aproximadamente 400 mil años después del Big Bang, la densidad desciende gracias a la expansión, esto permite la formación de los primeros átomos, la temperatura baja a unos 3,000 oC (la temperatura instantes después del Big Bang era inmensamente elevada, se calcula que era de 1032 oC) y el universo se vuelve transparente, dejando que la luz escape por primera vez. En el presente, el universo se encuentra a tan sólo tres grados arriba del cero absoluto (-270 grados Celsius). La medición de esta temperatura con la mayor precisión que se tiene hasta el momento fue obtenida con el satélite COBE (Cosmic Background Explorer). Por ello, John Matter y George Smoot compartieron el Premio Nobel de Física en 2006. Para entonces, el Big Bang ya era considerado el modelo estándar.

En 1992 me enteré que Sir Martin J. Rees (ahora Lord Rees de Ludlow) había propuesto una nueva etapa del universo a la que llamó la época oscura. Para mí, esto ya era el colmo, otro nombre para una época que nadie ha visto. Mientras estudiaba cúmulos de galaxias en la Universidad de Toronto, seguía de cerca los avances de la cosmología. En ese tiempo, los cosmólogos no sabían de qué color debían ser las protogalaxias. Podrían ser muy azules, en el caso de que estuvieran formando estrellas muy masivas, digamos de más de 10 masas solares; pero, también podrían ser muy rojas porque las estrellas se forman en nubes oscuras que contienen mucho polvo. Sin un modelo claro, la época oscura del universo había permanecido inexplorada.

Cada determinado tiempo, alguien anuncia el objeto más lejano jamás observado. En 2017, el doctor Jorge Zavala, egresado del INAOE, y sus colegas reportaron la detección una galaxia roja con mucho polvo, llamada G09 83808, con corrimiento al rojo z=6 (es una medida de la velocidad de expansión del universo) apenas mil millones de años después del Big Bang. Se estima que la edad del universo es de 14 mil millones de años, por lo tanto, este objeto reportado por mis colegas usando el Gran Telescopio Milimétrico Alfonso Serrano se formó cuando el universo tenía un poco más del 10 por ciento de su edad actual. No obstante, ese objeto, aunque muy lejano no marca la formación de las primeras estrellas. Cuando se formaron las primeras estrellas solo había hidrógeno, helio y un poco de litio, los demás elementos como el carbono y el oxígeno que son detectados como compuesto en forma de monóxido de carbono que sirve para medir el corrimiento al rojo a G09 83808, se formaron durante la muerte de la primera generación de estrellas. Sospechamos que las primeras estrellas tenían masas cercanas a 100 veces la masa del Sol.

Siguiendo a la época de la recombinación (z~1,100, cuando el universo se vuelve transparente) comienza la época oscura, llamada así porque aún no se han formado las primeras estrellas, una neblina tibia de hidrógeno llena todo el Universo. Tendrá que pasar más tiempo para que esta neblina se enfríe y que la gravedad comience a formar las primeras nubes densas. A partir de esas nubes densas y frías se condensarán las primeras estrellas. Una forma para enfriar el gas es por medio de la emisión de radiación, esto es, luz. Pero, no es tan simple cuando sólo tienes hidrógeno. El hidrógeno ofrece otros mecanismos, donde las transiciones son provocadas por la interacción de los espines del protón y del electrón. Se produce una extraña transición que tiene una longitud de onda de 21 cm. Se puede detectar en emisión o absorción en nuestra Galaxia. Resulta, entonces, que para explorar la época oscura del universo la mejor opción que tenemos la brinda la transición de 21 cm. Pero, hay que tomar en cuenta los efectos de la expansión del universo, la luz que emite un átomo de hidrógeno con una longitud de onda (S&C no. 44) de 21 cm a unos 180 millones de años después del Big Bang, nos llega con una longitud de onda mayor, en este caso cuatro metros. Dicha longitud de onda se irá haciendo menor a menor corrimiento al rojo, es decir de manera inversa con la distancia y la edad del universo. Hasta hace poco creíamos que la física de la formación de las primeras estrellas al final de la época oscura era sencilla y que conocíamos todos los procesos. Se han producido muchos modelos, el más aceptado tiene una absorción fuerte alrededor de z~20, que es producida al intervenir la radiación de las primeras estrellas y la diferencia en temperatura del universo y el gas entre las estrellas.

A finales de febrero, la colaboración EDGES dirigida por el doctor Judd D. Bowman, de la Universidad Estatal de Arizona, reportó la detección de la época de la formación de las primeras galaxias, apenas 180 millones de años después del Big Bang. EDGES es un experimento simple, una antena plana no más grande que una mesa de comedor y su electrónica de detección. Observa desde Australia desde un sitio remoto donde estará el SKA. Sin embargo, encuentra que el universo está más frío de lo predicho, esta observación entonces delata la primera interacción de la materia oscura con la materia normal. Ruedas de prensa y reportajes en todos los medios han seguido el anuncio. Sin embargo, el resultado necesita ser comprobado. El experimento es muy delicado y requiere el máximo cuidado en la obtención y procesamiento de los datos. Algunos investigadores sospechamos que hay algo sistemático en el experimento; pero no estaremos seguros hasta que otros experimentos comprueben la detección de la señal que ha detectado EDGES. Bowman y sus colaboradores reconocen que hay cuatro grupos que con un poco de esfuerzo podrían comprobar el resultado de EDGES. Entre ellos se encuentra el experimento Sonda Cosmológica de las Islas para la Detección de Hidrógeno Neutro (SCI-HI) con base en el INAOE (S&C No. 44), que observa desde la Isla Guadalupe, una de las mejores zonas radio silentes de Norteamérica (S&C No. 57). SCI-HI publicó sus primeros resultados en 2014. No detectó la señal esperada, pero impuso el primer límite para su detección. SCI-HI ha desarrollado su propia antena e instrumentación, para ello ha convocado a astrónomos, cosmólogos, geofísicos, biólogos e ingenieros para desarrollar el proyecto. Se planea una temporada de observación para junio de este año. Durante esa nueva etapa el Departamento de Física de la Universidad de Guanajuato (DCI-UGTO), el Departamento de Física del Cinvestav y el INAOE (Astrofísica, Electrónica y Ciencias Computacionales) son las instituciones que mayor participación en SCI-HI.

La época oscura del universo va dejando de ser tan oscura. Este es solo el principio.

 

omarlx@inaoep.mx