Los primeros hallazgos del telescopio HERA prometen una comprensión más profunda del amanecer cósmico


A lo largo de la historia, los humanos han creado y compartido historias que reflexionan sobre la creación de las estrellas: qué son y cómo surgieron las primeras estrellas. Ahora, con los nuevos resultados del Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA), un radiotelescopio ubicado en la Reserva Astronómica Karoo de Sudáfrica, los científicos del MIT están un paso pequeño, pero significativo, más cerca de comprender esa historia.

Parte del conjunto interferométrico de radio HERA en el desierto sudafricano de Karoo durante la construcción inicial en 2016, en la foto con el personal del sitio para la escala. Crédito: Kathryn Rosie

Los investigadores de HERA están buscando los primeros signos de formación de estrellas y estructura de galaxias. Específicamente, los científicos, incluida Jacqueline Hewitt, profesora de física Julius A. Stratton en el MIT, están tratando de comprender qué sucedió durante un período llamado amanecer cósmico, que ocurrió unos 400 millones de años después del Big Bang. A principios del otoño de 2021, Hewitt, Nicholas Kern, miembro de Pappalardo en Física en el Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial del MIT, y otros investigadores de la colaboración internacional finalizaron los tan esperados resultados recopilados y analizados durante cuatro años, durante las primeras etapas. de la construcción del telescopio. Su estudio, publicado el 7 de febrero en The Astrophysical Journal, presenta nuevos límites superiores en las señales de radio del hidrógeno cósmico, lo que indica una formación estelar temprana y brinda a los científicos una imagen más clara de cuándo se formaron las primeras estrellas y galaxias. Estos hallazgos reducen los modelos teóricos que plantean hipótesis sobre los orígenes del amanecer cósmico.

Los hallazgos de HERA son en parte tan significativos porque se recopilaron en una etapa muy temprana del desarrollo de HERA. El telescopio, que funciona como un conjunto de antenas de radio, actualmente se encuentra en solo una fracción de su tamaño final: los datos se recopilaron de solo 39 de las 52 antenas desplegadas de HERA. En su forma completa, habrá 350 antenas en total. Una vez que esté completamente construido, HERA será lo suficientemente sensible como para recopilar conjuntos de datos e información aún más grandes desde más lejos y, por lo tanto, más atrás en el tiempo.

«Todavía no estamos haciendo todo lo que podemos hacer», dice Kern, el autor principal del artículo. «Este resultado es una demostración del telescopio como entidad. Es una demostración de un primer paso en un análisis de los datos, que es una especie de marco, una base, por así decirlo, para todos los análisis futuros».

Buscando una señal

Para mirar hacia atrás al amanecer cósmico, HERA utiliza ondas de radio de baja frecuencia para identificar señales que no se observan fácilmente. Esto es diferente de otros telescopios, como el Telescopio Espacial Hubble, que observa estructuras como galaxias que comprenden solo el 5 por ciento de la materia observable en el espacio. El otro 95 por ciento de la materia es lo que se encuentra entre las galaxias, incluido el hidrógeno de baja densidad. Con HERA, los científicos pueden observar lo que sucede entre las galaxias y usar esa información para inferir qué hacen las galaxias que no podemos observar y cómo la formación de galaxias influye en el espacio que las rodea.

Para comprender este período en la historia del universo, los científicos están buscando la «señal de cambio de giro», también conocida como la línea de 21 centímetros, que es la longitud de onda del gas de hidrógeno neutro. Esta señal de radio proviene del material intergaláctico entre galaxias y se produce por la emisión y/o absorción de átomos de hidrógeno emitidos a través de esta transición.

«Lo que estamos viendo con HERA es: ¿Cómo se ve la señal de cambio de giro durante esta era?» dice Steve Furlanetto, teórico principal del proyecto HERA y profesor asociado de física y astronomía en la Universidad de California en Los Ángeles.

Identificar la época de reionización, o el momento en que se observa la señal, es lo importante, dice. «Queremos saber si [la señal] está en absorción, lo que significaría que está antes de los rayos X, o en emisión, que es después de los rayos X. Y luego queremos ver si desaparece debido a la reionización».

La señal tiene dos firmas o procesos que se pueden capturar. La señal se altera primero cuando las estrellas calientan el gas de hidrógeno. La segunda parte, que es lo que HERA ha estado buscando hasta ahora, es la desaparición de la señal de 21 cm, que sucede cuando el hidrógeno es ionizado por la energía producida por la formación de estrellas adicionales. Esta firma indica que se han creado estrellas.

La línea de 21 cm del amanecer cósmico aún no se ha detectado definitivamente. Sin embargo, los nuevos resultados de HERA proporcionan datos, más sensibles que los resultados anteriores por un factor de 10, sobre la naturaleza de la señal de cambio de giro de cuando el universo tenía 500 millones de años.

Un primer vistazo

Con estos resultados, el equipo de HERA ha podido aportar evidencias que descartan varias teorías posibles sobre la formación de galaxias. En particular, los datos muestran que debe haber algún mecanismo para calentar el hidrógeno en el espacio, lo que significa que las galaxias deben tener agujeros negros.

«Si tuvieras galaxias que no tuvieran agujeros negros, eso es básicamente algo que puedes descartar», dice Furnaletto. «Debe haber calentamiento, lo que, en el contexto de estos modelos, significa que debe haber agujeros negros cerca de los cuales se producen los rayos X».

Con fondos de la Fundación Gordon y Betty Moore y la Fundación Nacional de Ciencias, HERA operará en 350 antenas y con un nuevo diseño de antena que permitirá que el telescopio capture ondas de radio de frecuencia más baja y puntos de vista en desplazamientos al rojo más altos, viendo efectivamente más atrás en hora.

Hewitt, líder del proyecto sobre la expansión de la capacidad de señal de HERA, ha estado trabajando en la cuestión de cuándo se formaron las primeras estrellas desde 2004. Ha liderado la creación de prototipos de los nuevos componentes de baja frecuencia y está desarrollando más técnicas para analizar los conjuntos de datos actuales y futuros. . El nuevo diseño de antenas, de la Universidad de Cambridge, debería instalarse a principios de 2022 y aumentará drásticamente el rango de información que pueden obtener.

«Esta extensión a frecuencias más bajas es importante porque nos lleva a este período anterior a las primeras estrellas», dice Hewitt, y explica que el aumento del rango les ayudará a aprender más sobre las etapas anteriores de la historia cósmica.

«Es asombroso cómo funciona. Te cansas un poco, pero a veces me detengo y pienso: ‘Estoy construyendo un instrumento que mira hacia atrás en el tiempo 13 mil millones de años’, ¿sabes?» dijo Hewitt. «Es increíble que podamos hacer eso».

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