En el siglo XIX el naturalista británico Charles Darwin viajó a varias islas del mundo y recolectó muestras de plantas y animales de lugares lejanos. Darwin vio que las especies cambian para sobrevivir. Estas especies cambian porque responden a variaciones del ambiente o porque compiten con otras especies por los recursos. Así propuso la evolución por selección natural. La palabra evolución se empezó a usar más, pero tardamos en entender que el Universo también cambia con el tiempo. Ahora, en el siglo XXI, volvemos a las islas para buscar las piezas que aún nos faltan para entender cómo evoluciona el universo.
Creemos que instantes después del Big Bang, que ocurrió hace unos 13 mil 800 millones de años, el Universo era muy compacto, caliente y tenía una presión enorme. Solo podemos imaginar esas condiciones usando grandes aceleradores de partículas como el Gran Colisionador de Hadrones en el CERN, en Suiza. Pasaron unos tres minutos después del Big Bang hasta que la temperatura bajó lo suficiente para que se formaran las primeras partículas estables: protones con carga positiva, neutrones sin carga y electrones con carga negativa igual a la de los protones. También aparecieron los neutrinos, que tienen muy poca masa y no tienen carga. Cuando la temperatura y la densidad siguieron bajando, un protón pudo atraer a un electrón y formar un átomo de hidrógeno, que es neutro. El hidrógeno es el átomo más simple y el más abundante, y representa 99% de los átomos del Universo. El Universo también formó helio, con dos protones y dos neutrones en el núcleo y dos electrones, y una pequeña cantidad de litio, con un núcleo de tres protones y dos neutrones. Tendrían que pasar al menos un millón de años para que se formaran las primeras estrellas y, dentro de ellas, los átomos más pesados que el litio.
Información que cura
A 21 grados Celsius y una atmósfera de presión, el hidrógeno es un gas. Si se le aplica mucha presión, empieza a comportarse como un material conductor. A 3 millones de atmósferas, el hidrógeno conduce la electricidad. Científicos soviéticos descubrieron esto en 1974.
El hidrógeno y la mecánica cuántica
Entender cómo se mueve el electrón en un átomo de hidrógeno fue uno de los primeros logros que impulsaron el desarrollo de la mecánica cuántica. En 1913 Neils Bohr propuso un modelo para explicar la luz inusual que emite el átomo de hidrógeno. Es inusual porque el hidrógeno no emite en todas las longitudes de onda, como pasa al calentar un metal, que produce un espectro continuo. Solo emite en intervalos muy específicos, con longitudes de onda características llamadas líneas de emisión.
Cuando la luz pasa por una nube de gas de hidrógeno, sigue su camino casi sin obstrucción, pero en las mismas longitudes de onda que muestran las líneas de emisión aparecen franjas oscuras. Estas franjas son las líneas de absorción.
Bohr propuso un modelo en el que un electrón orbitando alrededor del protón puede absorber energía y subir a niveles permitidos sin desligarse del protón, lo que produce líneas de absorción. Para bajar a los niveles permitidos más cercanos al protón, el electrón debe emitir un fotón que se lleva la diferencia de energía; estas son las líneas de emisión.
Bohr hizo sus cálculos usando el orden cuántico que Max Planck propuso 12 años antes. Los números hablaron claro. Los resultados de Bohr coincidían con las mediciones experimentales.
Bohr dijo que hay un nivel mínimo de energía, el estado base. El electrón en un átomo de hidrógeno siempre busca llegar a ese estado. Antes se pensaba que, al llegar al estado base, el electrón ya no hacía más saltos cuánticos.
Eso creíamos hasta el 15 de abril de 1944. En Holanda, Jan Oort, un astrofísico de la Universidad de Leiden, pensaba que la astronomía iba a avanzar con la radioastronomía, una tecnología que apareció durante la Segunda Guerra Mundial por el desarrollo del radar. Aunque los nazis ocupaban Holanda, la ciencia seguía su curso. Oort invitó a Leiden a un estudiante de posgrado de la Universidad de Utrecht. Oort sabía que había nubes de gas entre las estrellas y que para detectarlas hacía falta usar radiotelescopios.
El estudiante era Hendrik Christoffel van de Hulst (1918–2000). Investigó cómo se comporta el electrón en el estado base de un átomo de hidrógeno. Se centró en una propiedad recién descubierta de las partículas elementales llamada spin, que suele describirse como el giro de las partículas. Encontró que, incluso en el estado base, el spin del protón puede interactuar con el del electrón. Como todo en el átomo está cuantizado, este cambio de spin da una línea con una longitud de onda de 21 centímetros (ver Figura).
Edward M. Purcell, un físico estadounidense, y su estudiante Harold I. Ewen hicieron la primera detección de la línea de 21 centímetros del hidrógeno neutro en la Universidad de Harvard, el 25 de marzo de 1951. No fueron los holandeses. Purcell y Ewen usaron una antena de cono hecha con láminas de metal y triplay.
Como la línea de 21 centímetros es el tema de este año en La Noche de las Estrellas, vale la pena recordar que el átomo más simple y su línea de 21 centímetros nos ayudaron a descubrir los brazos de nuestra galaxia y ver que el gas de hidrógeno interestelar está girando; es decir, toda la galaxia está en rotación.
Isaac Asimov, conocido por sus libros de ciencia ficción, pensaba que podríamos contactar otras civilizaciones en nuestra galaxia usando la línea de 21 centímetros. Supuso que las civilizaciones avanzadas ya habrían descubierto las propiedades de los átomos y la mecánica cuántica; por lo tanto, la línea de 21 centímetros sería el canal universal.
La edad oscura del Universo
No sorprende que, al estudiar las primeras fases de la evolución del universo, cuando todavía no había estrellas, planetas ni galaxias, el átomo más abundante del universo sea el principal mensajero con su transición de 21 centímetros.
A esta etapa se le llama “la edad oscura”. No sabemos exactamente cuánto tiempo duró. Creemos que empezó 400 mil años después del Big Bang y terminó unos 200 millones de años después. No podemos precisar esto porque todavía no hay observaciones seguras del final de la edad oscura. Durante ese tiempo aparecieron las primeras estrellas, que tenían más de 100 veces la masa del Sol; también entraron en acción los primeros agujeros negros.
Buscar la línea de 21 centímetros en etapas tan tempranas tiene varios problemas. No veremos una sola línea, sino un continuo por la emisión del hidrógeno en distintas épocas. Para detectar la línea de 21 centímetros de la edad oscura, la expansión del Universo hace que tengamos que ajustar los radiotelescopios para captar radiación con longitudes de onda entre dos y ocho metros. En ese rango trabajan la televisión y la radio FM. Aunque la línea de 21 centímetros está protegida y nadie puede emitir justo en esa longitud de onda, no podemos evitar interferencias de frecuencias comerciales. Por eso, como pasa con los telescopios ópticos y la contaminación lumínica, hay que alejarse de los grandes centros de población.
En 2010 el profesor Jeff Peterson de la Carnegie Mellon University y yo empezamos a buscar lugares sin señales de estaciones de radio FM ni de televisión. Estas zonas, llamadas radios silentes, incluyen la Zona del Silencio, que está en la frontera de Coahuila, Durango y Chihuahua. Por desgracia, tuvimos que abandonar nuestros intentos en ese lugar, porque el narcotráfico lo usa como ruta hacia la frontera con Estados Unidos.
Luego supimos que la isla Guadalupe, en el Océano Pacífico, a 300 km de la costa de Baja California, era la zona con menos interferencia de radio en México. En 2014 hicimos las primeras observaciones. Así empezó una colaboración que llamamos Sonda Cosmológica de las Islas para la detección de Hidrógeno Neutro, o SCI-HI (ver Saberes y Ciencias no. 44 para más detalles[1]).
Esta es, en pocas palabras, la historia de cómo entramos en la competencia global para detectar hidrógeno neutro al final de la edad oscura del universo. Para tratar de hacer la detección en las mejores zonas radio silentes del mundo, regresamos a las remotas islas del planeta.
[1] https://saberesyciencias.com.mx/2015/10/05/el-experimento-sci-hi-tras-la-busqueda-de-las-primeras-estrellas-en-el-universo/
