Comprender cómo el universo pasó de la oscuridad a la luz con la formación de las primeras estrellas y galaxias es un punto de inflexión clave en su desarrollo, conocido como el Amanecer Cósmico. Sin embargo, incluso con los telescopios más potentes, no podemos observar directamente estas primeras estrellas, por lo que determinar sus propiedades es uno de los mayores desafíos de la astronomía.
Ahora, un grupo internacional de astrónomos, liderado por la Universidad de Cambridge, ha demostrado que podremos comprender las masas de las primeras estrellas mediante el estudio de una señal de radio específica —creada por átomos de hidrógeno que llenan los espacios entre las regiones de formación estelar—, originada tan solo cien millones de años después del Big Bang.
Al estudiar cómo las primeras estrellas y sus remanentes afectaron a esta señal, denominada señal de 21 centímetros, los investigadores han demostrado que los futuros radiotelescopios nos ayudarán a comprender el universo primitivo y cómo se transformó desde una masa casi homogénea, compuesta principalmente de hidrógeno, hasta la increíble complejidad que observamos hoy. Sus resultados se publican en la revista Nature Astronomy.
«Esta es una oportunidad única para aprender cómo la primera luz del universo emergió de la oscuridad», afirmó la coautora, la profesora Anastasia Fialkov, del Instituto de Astronomía de Cambridge. «La transición de un universo frío y oscuro a uno lleno de estrellas es una historia que apenas estamos empezando a comprender».
El estudio de las estrellas más antiguas del universo se basa en el tenue resplandor de la señal de 21 centímetros, una sutil señal de energía de hace más de 13 000 millones de años. Esta señal, influenciada por la radiación de las estrellas primitivas y los agujeros negros, ofrece una ventana excepcional a la infancia del universo.
Fialkov dirige el grupo teórico de REACH (Experimento de Radio para el Análisis del Hidrógeno Cósmico). REACH es una antena de radio y uno de los dos principales proyectos que podrían ayudarnos a comprender el Amanecer Cósmico y la Época de la Reionización, cuando las primeras estrellas reionizaron átomos de hidrógeno neutro en el universo.
Aunque REACH, que capta señales de radio, aún se encuentra en su fase de calibración, promete revelar datos sobre el universo primitivo. Mientras tanto, el Square Kilometer Array (SKA), un enorme conjunto de antenas en construcción, mapeará las fluctuaciones de las señales cósmicas en vastas regiones del cielo.
Ambos proyectos son vitales para estudiar las masas, luminosidades y distribución de las primeras estrellas del universo. En el estudio actual, Fialkov, también miembro del SKA, y sus colaboradores desarrollaron un modelo que predice la señal de 21 centímetros tanto para REACH como para SKA, y descubrieron que la señal es sensible a las masas de las primeras estrellas.
«Somos el primer grupo en modelar consistentemente la dependencia de la señal de 21 centímetros con las masas de las primeras estrellas, incluyendo el impacto de la luz ultravioleta estelar y las emisiones de rayos X de las binarias de rayos X producidas cuando las primeras estrellas mueren», afirmó Fialkov, también miembro del Instituto Kavli de Cosmología de Cambridge. «Estos conocimientos se derivan de simulaciones que integran las condiciones primordiales del universo, como la composición de hidrógeno y helio producida por el Big Bang».
Al desarrollar su modelo teórico, los investigadores estudiaron cómo reacciona la señal de 21 centímetros a la distribución de masa de las primeras estrellas, conocidas como estrellas de Población III. Descubrieron que estudios previos habían subestimado esta conexión, ya que no consideraron el número ni el brillo de los sistemas binarios de rayos X (sistemas binarios compuestos por una estrella normal y una estrella colapsada) entre las estrellas de Población III, ni cómo estos afectan a la señal de 21 centímetros.
A diferencia de telescopios ópticos como el Telescopio Espacial James Webb, que capturan imágenes vívidas, la radioastronomía se basa en el análisis estadístico de señales débiles. REACH y SKA no podrán obtener imágenes de estrellas individuales, sino que proporcionarán información sobre poblaciones enteras de estrellas, sistemas binarios de rayos X y galaxias.
«Se requiere un poco de imaginación para conectar los datos de radio con la historia de las primeras estrellas, pero las implicaciones son profundas», afirmó Fialkov.
«Las predicciones que estamos reportando tienen enormes implicaciones para nuestra comprensión de la naturaleza de las primeras estrellas del universo», afirmó el Dr. Eloy de Lera Acedo, coautor del estudio, investigador principal del telescopio REACH e investigador principal en Cambridge de las actividades de desarrollo de SKA. Mostramos evidencia de que nuestros radiotelescopios pueden brindarnos detalles sobre la masa de esas primeras estrellas y cómo estas primeras luces pudieron haber sido muy diferentes de las estrellas actuales.
Radiotelescopios como REACH prometen desvelar los misterios del universo incipiente, y estas predicciones son esenciales para guiar las observaciones de radio que realizamos desde el Karoo, en Sudáfrica.
Anastasia Fialkov es miembro del Magdalene College de Cambridge. Eloy de Lera Acedo es miembro del STFC Ernest Rutherford y del Selwyn College de Cambridge.
Con información de Nature
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