Detectadas las posibles primeras estrellas del Universo

Las estrellas son nuestras compañeras constantes en el cielo nocturno, pero estos mares de luces parpadeantes no siempre fueron un rasgo del cosmos. Ahora, los expertos que estudian ese tiempo remoto sugieren que las primeras estrellas no se encendieron hasta 180 millones de años después del Big Bang, cuando el universo tal y como lo conocemos empezó a existir.

Los científicos llevan décadas tratando de detectar las señales de estas primeras estrellas. La nueva detección, lograda por un proyecto denominado EDGES, es en forma de señal de radio generada cuando la luz de dichas estrellas empezó a interactuar con el gas de hidrógeno que llenaba el espacio vacío primigenio.

Si la señal pasa el escrutinio, la detección abrirá simultáneamente una nueva línea de investigación cosmológica y planteará una serie de enigmas que abordar.

«La era del amanecer cósmico era un territorio inexplorado hasta ahora», afirma la física Cynthia Chiang de la Universidad de KwaZulu-Natal en Sudáfrica. «Es muy emocionante ver una nueva imagen de esta parte de la historia del universo, y la detección de EDGES es un primer paso hacia entender la naturaleza de las primeras estrellas más detalladamente».

El amanecer cósmico

Poco después del nacimiento del universo, este se quedó sumido en la oscuridad. Las primeras estrellas se encendieron cuando el gas caliente se acumuló alrededor de aglomeraciones de materia oscura, se contrajo y se densificó lo bastante como para encender los corazones nucleares de soles neonatos.

A medida que estas estrellas empezaron a emitir luz ultravioleta al cosmos, sus fotones se mezclaron con gas de hidrógeno primigenio, haciendo que absorbiera la radiación de fondo y se volviera translúcido. Cuando eso ocurrió, dichos átomos de hidrógeno produjeron ondas de radio que atravesaron el espacio a una frecuencia predecible que los astrónomos todavía pueden observar hoy mediante radiotelescopios.

Es el mismo proceso que ocurre en las estrellas modernas cuando emiten luz hacia el cosmos. Pero las ondas de radio producidas por esos primeros suspiros estelares llevan viajando tanto tiempo por el espacio que se han estirado o desplazado hacia el rojo. Así es como los astrónomos identificaron las huellas dactilares de las primeras estrellas en las ondas de radio detectadas por una pequeña antena en el oeste de Australia.

«La primera indicación de la señal apareció semanas después de encender el instrumental en 2015», afirma Judd Bowman, de la Universidad del Estado de Arizona, coautor del estudio que presenta los resultados en Nature. «Al principio asumimos que había un problema en el instrumento, porque era más grande de lo que esperábamos».

Bowman y su equipo han pasado los dos últimos años trabajando para descartar cualquier posible error que pudiera imitar una señal del final de esa era cósmica oscura.

«A medida que avanzábamos a través de docenas de pruebas, estábamos más seguros de que esta era una señal real del firmamento», afirma. «Pero es importante que otro equipo confirme la detección con instrumental diferente».

Chiang, que forma parte de uno de los otros equipos que buscan la misma señal, está de acuerdo: «Sugieren legítimamente que el próximo paso es confirmar la detección mediante otros experimentos», afirma. «Este tipo de medición es muy complicada por la sensibilidad extrema a errores sistemáticos y el equipo de EDGES ha hecho un trabajo impresionante y minucioso investigando los efectos del instrumental de bajo nivel».

De la luz a la oscuridad

Si la señal es real, supone un problema para algunos científicos que han investigado el funcionamiento del universo primitivo. Para empezar, el marco de tiempo en el que aparecieron estas primeras estrellas coincide con algunas teorías, pero no con otras.

«Es muy extraño en muchos sentidos», afirma Steven Furlanetto de la UCLA, que estudia cómo se formaron las galaxias y se produjeron estrellas. «Podría indicar una física exótica que sería increíblemente emocionante para muchas personas». Por ejemplo, es posible que la detección sea una señal de galaxias que se comportan de manera impredecible.

En investigaciones anteriores, Furlanetto y sus colegas partieron de observaciones reales de las primeras galaxias conocidas y a continuación rebobinaron el reloj cósmico mediante modelos de ordenador, en busca de la fecha en la que podría haber aparecido la señal de las primeras estrellas. Se cree que las primeras galaxias del universo fueron frágiles y no muy diestras a la hora de crear estrellas, así que Furlanetto no esperaba que la señal apareciera hasta unos 325 millones de años después del Big Bang.

Pero si las primeras estrellas ya emitían luz suficiente para dar a conocer su presencia 180 millones de años después del Big Bang, esas primeras galaxias debían estar haciendo algo diferente.

«La explicación más sencilla sería que en el principio de los tiempos, estos pequeños cuerpos fueron capaces de formar estrellas de forma más eficiente que en otras épocas», explica. «Es drásticamente diferente en términos de nuestro entendimiento físico de las galaxias».

Del mismo modo, el gas de hidrógeno primigenio absorbería fotones a ritmos que eran al menos el doble de los predichos. Eso es problemático para algunas ideas respecto a la temperatura del universo primitivo. Significa que o bien el gas primigenio era más frío de lo esperado o la radiación de fondo era más cálida.

Curiosamente, un segundo estudio publicado en la revista Nature sugiere que las interacciones con la materia oscura serían un modo de enfriar el gas para que alcanzara una temperatura a la que pudiera absorber fotones.

La materia oscura compone la mayor parte de la masa del universo, pero no se comporta como la materia normal y es difícil de entender. Normalmente evade la detección directa y los científicos tienen dificultades a la hora de precisar qué es exactamente y cómo ha influido en la estructura del universo a lo largo del tiempo.

«Sería extremadamente emocionante si fuera una señal de materia oscura, lo que no es imposible», afirma Tracy Slatyer, del MIT.

Pero advierte que es demasiado pronto para aceptar dicha conclusión. Una posibilidad alternativa es que sencillamente existía una cantidad mayor de fotones que el gas de hidrógeno podía absorber, aunque no se sabe de dónde procederían todos esos fotones en el universo primitivo. Por eso Slatyer y otros expertos están a la espera de una confirmación independiente del resultado de EDGES antes de zambullirse de lleno en posibles hipótesis de materia oscura.

«Me sentiré más cómodo una vez tengamos la oportunidad de probarlo y reflexionar sobre cómo encaja esto en los esquemas según los que entendemos la materia oscura y las galaxias», afirma Furlanetto. «Como es tan inusual en comparación con nuestras expectativas, me preocupa que se trate de algo que no esté relacionado en absoluto. No tengo ni idea de qué podría ser».