Hace mucho, unos 400,000 años después del comienzo del universo el Big Bang, el universo estaba oscuro. No había estrellas ni galaxias, y el universo estaba lleno principalmente de gas de hidrógeno neutro.
Luego, durante los siguientes 50-100 millones de años, la gravedad lentamente juntó las regiones más densas de gas hasta que finalmente el gas colapsó en algunos lugares para formar las primeras estrellas.
¿Cómo fueron esas primeras estrellas y cuándo se formaron? ¿Cómo afectaron al resto del universo? Estas son preguntas que los astrónomos y astrofísicos han reflexionado durante mucho tiempo.
Ahora, después de 12 años de esfuerzo experimental, un equipo de científicos, dirigido por el astrónomo de la Escuela de Exploración de la Tierra y el Espacio de la ASU Judd Bowman, ha detectado las huellas digitales de las primeras estrellas del universo. Usando señales de radio, la detección proporciona la primeraevidencia de los antepasados más antiguos de nuestro árbol genealógico cósmico, nacido apenas 180 millones de años después del comienzo del universo.
"Hubo un gran desafío técnico para hacer esta detección, ya que las fuentes de ruido pueden ser mil veces más brillantes que la señal: es como estar en medio de un huracán e intentar escuchar el aleteo del ala de un colibrí".dice Peter Kurczynski, el oficial del programa de la Fundación Nacional de Ciencias que apoyó este estudio. "Estos investigadores con una pequeña antena de radio en el desierto han visto más lejos que los telescopios espaciales más potentes, abriendo una nueva ventana en el universo primitivo".
Radioastronomía
Para encontrar estas huellas digitales, el equipo de Bowman usó un instrumento terrestre llamado radio espectrómetro, ubicado en el Observatorio de Radioastronomía Murchison MRO de la agencia nacional de ciencias de Australia CSIRO en Australia Occidental. A través de su experimento para detectar la EoR globalFirma EDGES, el equipo midió el espectro de radio promedio de todas las señales astronómicas recibidas en la mayor parte del cielo del hemisferio sur y buscó pequeños cambios en el poder en función de la longitud de onda o frecuencia.
A medida que las ondas de radio ingresan a la antena terrestre, son amplificadas por un receptor y luego digitalizadas y grabadas por computadora, de forma similar a cómo funcionan los receptores de radio FM y los receptores de TV. La diferencia es que el instrumento está calibrado y diseñado con mucha precisiónrealizar de la manera más uniforme posible en muchas longitudes de onda de radio.
Las señales detectadas por el radio espectrómetro en este estudio provienen del gas de hidrógeno primordial que llenaba el universo joven y existía entre todas las estrellas y galaxias. Estas señales contienen una gran cantidad de información que abre una nueva ventana sobre qué tan temprano son las estrellas, ymás tarde, los agujeros negros y las galaxias se formaron y evolucionaron.
"Es poco probable que podamos ver antes en la historia de las estrellas en nuestras vidas", dice Bowman. "Este proyecto muestra que una nueva técnica prometedora puede funcionar y ha allanado el camino durante décadas de nuevas astrofísicasdescubrimientos "
Esta detección resalta el silencio de radio excepcional del MRO, particularmente porque la característica encontrada por EDGES se superpone al rango de frecuencia utilizado por las estaciones de radio FM. La legislación nacional australiana limita el uso de transmisores de radio dentro de las 161.5 millas 260 km del sitio,reducir sustancialmente la interferencia que de otro modo podría ahogar las observaciones astronómicas sensibles.
Los resultados de este estudio se han publicado recientemente en Naturaleza por Bowman, con los coautores Alan Rogers del Observatorio Haystack del Instituto de Tecnología de Massachusetts, Raul Monsalve de la Universidad de Colorado, y Thomas Mozdzen y Nivedita Mahesh también de la Escuela de Exploración de la Tierra y el Espacio de ASU.
Resultados inesperados
Los resultados de este experimento confirman las expectativas teóricas generales de cuándo se formaron las primeras estrellas y las propiedades más básicas de las primeras estrellas.
"Lo que sucede en este período", dice el coautor Rogers del Observatorio Haystack del MIT, "es que parte de la radiación de las primeras estrellas está comenzando a permitir que se vea hidrógeno. Está causando que el hidrógeno comience a absorber la radiación de fondo, así que comienzas a verlo en silueta, en frecuencias de radio particulares. Esta es la primera señal real de que las estrellas comienzan a formarse y comienzan a afectar el medio que las rodea ".
El equipo afinó originalmente su instrumento para mirar más tarde en el tiempo cósmico, pero en 2015 decidió extender su búsqueda. "Tan pronto como cambiamos nuestro sistema a este rango inferior, comenzamos a ver cosas que consideramos que podrían ser una firma real,"Rogers dice." Vemos este descenso más fuerte en aproximadamente 78 megahercios, y esa frecuencia corresponde a aproximadamente 180 millones de años después del Big Bang ", dice Rogers." En términos de una detección directa de una señal del propio gas de hidrógeno,esto tiene que ser el primero "
El estudio también reveló que el gas en el universo probablemente era mucho más frío de lo esperado menos de la mitad de la temperatura esperada. Esto sugiere que los esfuerzos teóricos de los astrofísicos han pasado por alto algo significativo o que esta puede ser la primera evidencia de no estándarfísica: Específicamente, que los bariones materia normal pueden haber interactuado con la materia oscura y haber perdido lentamente energía a la materia oscura en el universo temprano, un concepto que originalmente fue propuesto por Rennan Barkana de la Universidad de Tel Aviv.
"Si se confirma la idea de Barkana", dice Bowman, "entonces hemos aprendido algo nuevo y fundamental sobre la misteriosa materia oscura que constituye el 85 por ciento de la materia en el universo, proporcionando la primera visión de la física más allá del modelo estándar"
Los siguientes pasos en esta línea de investigación son para otro instrumento para confirmar la detección de este equipo y seguir mejorando el rendimiento de los instrumentos, para que se pueda aprender más sobre las propiedades de las primeras estrellas ". Trabajamos muy duro durante el últimodos años para validar la detección ", dice Bowman," pero que otro grupo lo confirme de forma independiente es una parte crítica del proceso científico ".
Bowman también quisiera ver una aceleración de los esfuerzos para traer nuevos radiotelescopios como el Conjunto de Epocas de Reionización de Hidrógeno HERA y el Conjunto de Longitud de Onda Larga del Valle de Owens OVRO-LWA.
"Ahora que sabemos que esta señal existe", dice Bowman, "necesitamos traer rápidamente nuevos radiotelescopios en línea que puedan extraer la señal mucho más profundamente".
Las antenas y partes del receptor utilizadas en este experimento fueron diseñadas y construidas por Rogers y el equipo del Observatorio Haystack del MIT. El equipo de ASU y Monsalve agregaron el sistema automatizado de medición de reflexión de antena al receptor, equiparon la cabaña de control con la electrónica,construyó el plano de tierra y realizó el trabajo de campo para el proyecto. La versión actual de EDGES es el resultado de años de iteración de diseño y refinamiento técnico continuo y detallado de la instrumentación de calibración para alcanzar los niveles de precisión necesarios para lograr con éxito esta difícil medición.
Video NSF: http://www.youtube.com/watch?v=wU6KXoO0NEE&feature=youtu.be
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad Estatal de Arizona . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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