Una sombra de nube revela la temperatura del universo cuando era joven


Un grupo internacional de astrofísicos ha descubierto un nuevo método para estimar la temperatura de fondo de microondas cósmica del Universo joven solo 880 millones de años después del Big Bang.

El Fondo Cósmico de Microondas (izquierda) fue lanzado 380.000 años después del Big Bang, y actúa como fondo para todas las galaxias del Universo. La galaxia starburst HFLS3 está incrustada en una gran nube de vapor de agua fría (en el medio, indicada en azul) y se observa 880 millones de años después del Big Bang. Debido a su baja temperatura, el agua proyecta una sombra oscura sobre el fondo de microondas (panel ampliado a la izquierda), lo que corresponde a un contraste unas 10.000 veces más fuerte que sus fluctuaciones intrínsecas de solo el 0,001 % (puntos claros/oscuros). Crédito: ESA y la colaboración de Planck; panel de acercamiento: Dominik Riechers, Universidad de Colonia; composición de imagen: Martina Markus, Universidad de Colonia

Es la primera vez que se mide la temperatura de la radiación cósmica de fondo de microondas, una reliquia de la energía liberada por el Big Bang, en una época tan temprana del Universo. El modelo cosmológico prevaleciente asume que el Universo se ha enfriado desde el Big Bang, y aún continúa haciéndolo. El modelo también describe cómo debe proceder el proceso de enfriamiento, pero hasta ahora solo se ha confirmado directamente para tiempos cósmicos relativamente recientes. El descubrimiento no solo establece un hito muy temprano en el desarrollo de la temperatura de fondo cósmica, sino que también podría tener implicaciones para la enigmática energía oscura. El artículo fue publicado hoy en Nature.

Los científicos utilizaron el observatorio NOEMA (Northern Extended Millimeter Array) en los Alpes franceses, el radiotelescopio más potente del hemisferio norte, para observar HFLS3, una galaxia masiva con estallido estelar a una distancia correspondiente a una edad de solo 880 millones de años después de la Gran Estallido. Descubrieron una pantalla de gas de agua fría que proyecta una sombra sobre la radiación cósmica de fondo de microondas. La sombra aparece porque el agua más fría absorbe la radiación de microondas más cálida en su camino hacia la Tierra, y su oscuridad revela la diferencia de temperatura. Como la temperatura del agua se puede determinar a partir de otras propiedades observadas del estallido estelar, la diferencia indica la temperatura de la radiación reliquia del Big Bang, que en ese momento era unas siete veces mayor que en el Universo actual.

«Además de la prueba del enfriamiento, este descubrimiento también nos muestra que el Universo en su infancia tenía algunas características físicas bastante específicas que ya no existen en la actualidad», dijo el autor principal, el profesor Dr. Dominik Riechers, del Instituto de Astrofísica de la Universidad de Colonia. «Muy temprano, alrededor de 1.500 millones de años después del Big Bang, el fondo cósmico de microondas ya era demasiado frío para que este efecto fuera observable. Por lo tanto, tenemos una ventana de observación única que se abre solo a un Universo muy joven», continuó. En otras palabras, si hoy existiera una galaxia con propiedades idénticas a las de HFLS3, la sombra del agua no sería observable porque ya no existiría el contraste de temperaturas requerido.

Antenas del observatorio NOEMA (MPG/Alemania, CNRS/Francia, IGN/España). Usando su poder de resolución único, los astrónomos sondearon el Universo primitivo y encontraron un nuevo método para medir la temperatura del fondo cósmico de microondas. NOEMA es el radiotelescopio más potente del hemisferio norte. El observatorio opera a más de 2500 metros sobre el nivel del mar en uno de los sitios de gran altitud más extensos de Europa, el Plateau de Bure en los Alpes franceses. El telescopio es operado por el Institut de Radioastronomie Millimétrique (IRAM) y está financiado por la Sociedad Max-Planck (Alemania), el Centre National de Recherche Scientifique (Francia) y el Instituto Geografico Nacional (España). Crédito: IRAM, A. Ramboud

«Este importante hito no solo confirma la tendencia de enfriamiento esperada para una época mucho más temprana de lo que ha sido posible medir anteriormente, sino que también podría tener implicaciones directas para la naturaleza de la escurridiza energía oscura», dijo el coautor Dr. Axel Weiss del Instituto Max Planck de Radioastronomía (MPIfR) en Bonn. Se cree que la energía oscura es responsable de la expansión acelerada del Universo durante los últimos miles de millones de años, pero sus propiedades siguen sin comprenderse bien porque no se pueden observar directamente con las instalaciones e instrumentos disponibles en la actualidad. Sin embargo, sus propiedades influyen en la evolución de la expansión cósmica y, por lo tanto, en la velocidad de enfriamiento del Universo a lo largo del tiempo cósmico. Según este experimento, las propiedades de la energía oscura siguen siendo, por ahora, consistentes con las de la ‘constante cosmológica’ de Einstein. “Es decir, un Universo en expansión en el que la densidad de energía oscura no cambia”, explicó Weiss.

Habiendo descubierto una de esas nubes de agua fría en una galaxia con estallido estelar en el Universo primitivo, el equipo ahora se propone encontrar muchas más en el cielo. Su objetivo es trazar un mapa del enfriamiento del eco del Big Bang en los primeros 1500 millones de años de la historia cósmica. «Esta nueva técnica proporciona nuevos e importantes conocimientos sobre la evolución del Universo, que son muy difíciles de restringir de otro modo en épocas tan tempranas», dijo Riechers.

«Nuestro equipo ya está siguiendo esto con NOEMA estudiando los alrededores de otras galaxias», dijo el coautor y científico del proyecto NOEMA, el Dr. Roberto Neri. «Con las mejoras esperadas en la precisión de los estudios de muestras más grandes de nubes de agua, queda por ver si nuestra comprensión básica actual de la expansión del Universo se mantiene».

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