Los científicos se acercan a la señal de 12 mil millones de años del final de la ‘edad oscura’ del universo.

Parte del Murchison Widefield Array en la noche. 
Crédito: John Goldfield / Visiones celestiales.

Hoy, las estrellas llenan el cielo nocturno. Pero cuando el universo estaba en su infancia, no contenía estrellas en absoluto. Y un equipo internacional de científicos está más cerca que nunca de detectar, medir y estudiar una señal de esta era que ha estado viajando por el cosmos desde que esa era sin estrellas terminó hace unos 13 mil millones de años.

Ese equipo, dirigido por investigadores de la Universidad de Washington, la Universidad de Melbourne, la Universidad de Curtin y la Universidad de Brown, informó el año pasado en el Astrophysical Journal que había logrado una mejora casi 10 veces mayor de los datos de emisiones de radio recopilados por el Murchison Widefield Array . Los miembros del equipo actualmente están rastreando los datos de este radiotelescopio en el remoto oeste de Australia en busca de una señal reveladora de esta «edad oscura» poco entendida de nuestro universo.

Aprender sobre este período ayudará a abordar las principales preguntas sobre el universo actual.

«Creemos que las propiedades del universo durante esta era tuvieron un efecto importante en la formación de las primeras estrellas y pusieron en marcha las características estructurales del universo actual», dijo el miembro del equipo Miguel Morales , Profesor de Física de la Universidad de Washington. «La forma en que se distribuyó la materia en el universo durante esa época probablemente dio forma a la distribución actual de las galaxias y los cúmulos galácticos».

Estudiantes e investigadores de la Universidad de Brown, la Universidad de Curtin y la Universidad de Washington construyen nuevas antenas para el Murchison Widefield Array. En el extremo derecho está Nichole Barry, una doctorada de la UW e investigadora postdoctoral actual en la Universidad de Melbourne. Frente a ella está el estudiante de doctorado de Física de la Universidad de Washington Ruby Byrne. 
Crédito: Colaboración MWA / Curtin University.

Antes de esta edad oscura, el universo era cálido y denso. Los electrones y los fotones se atrapaban regularmente entre sí, haciendo que el universo fuera opaco. Pero cuando el universo tenía menos de un millón de años, las interacciones electrón-fotón se volvieron raras. El universo en expansión se volvió cada vez más transparente y oscuro, comenzando su edad oscura.

La era sin estrellas duró cientos de millones de años durante los cuales el hidrógeno neutro (átomos de hidrógeno sin carga general) dominó el cosmos.

«Para esta edad oscura, por supuesto, no hay señal basada en la luz que podamos estudiar para aprender sobre ella, ¡no había luz visible!» dijo Morales. “Pero hay una señal específica que podemos buscar. Proviene de todo ese hidrógeno neutro. Nunca hemos medido esta señal, pero sabemos que está ahí afuera. Y es difícil de detectar porque en los 13 mil millones de años desde que emanó esa señal, nuestro universo se ha convertido en un lugar muy ocupado, lleno de otras actividades de estrellas, galaxias e incluso nuestra tecnología que ahogó la señal del hidrógeno neutro «.

La señal de 13 mil millones de años que buscan Morales y su equipo es una emisión de radio electromagnética que el hidrógeno neutro emanó a una longitud de onda de 21 centímetros. El universo se ha expandido desde entonces, extendiendo la señal a casi 2 metros.

Esa señal debería albergar información sobre la edad oscura y los eventos que la terminaron, dijo Morales.

Cuando el universo tenía solo mil millones de años, los átomos de hidrógeno comenzaron a agregarse y formar las primeras estrellas, poniendo fin a la edad oscura. La luz de esas primeras estrellas inició una nueva era, la Época de Reionización, en la que la energía de esas estrellas convirtió gran parte del hidrógeno neutro en un plasma ionizado . Ese plasma domina el espacio interestelar hasta nuestros días.

«La época de la reionización y la edad oscura que la precede son períodos críticos para comprender las características de nuestro universo, como por qué tenemos algunas regiones llenas de galaxias y otras relativamente vacías, la distribución de la materia y potencialmente incluso la materia oscura y la energía oscura». dijo Morales.

Canguros en el Murchison Widefield Array. 
Crédito: Colaboración MWA / Curtin University.

El Murchison Array es la herramienta principal del equipo. Este radiotelescopio consta de 4.096 antenas dipolo, que pueden captar señales de baja frecuencia como la firma electromagnética de hidrógeno neutro.

Pero ese tipo de señales de baja frecuencia son difíciles de detectar debido al «ruido» electromagnético de otras fuentes que rebotan en el cosmos, incluidas las galaxias, las estrellas y la actividad humana. Morales y sus colegas han desarrollado métodos cada vez más sofisticados para filtrar este ruido y acercarlos a esa señal. En 2019, los investigadores anunciaron que habían filtrado la interferencia electromagnética, incluso de nuestras propias transmisiones de radio, de más de 21 horas de datos de Murchison Array.

En el futuro, el equipo tiene aproximadamente 3.000 horas de datos de emisiones adicionales recopilados por el radiotelescopio. Los investigadores están tratando de filtrar la interferencia y acercarse aún más a esa señal evasiva del hidrógeno neutro, y a la edad oscura que puede iluminar.

Además de la UW, los miembros del equipo incluyen científicos de la Universidad de Melbourne; Universidad Curtin en Perth, Australia Occidental; la Organización de Investigación Científica e Industrial de la Commonwealth en Australia; Universidad del estado de Arizona; Universidad de Brown; el Instituto de Tecnología de Massachusetts; Universidad de Kumamoto en Japón; y la Universidad Raman en India. 

El artículo de 2019 se basa en la tesis doctoral de la UW de Nichole Barry , con contribuciones clave adicionales de la UW de los estudiantes de doctorado de Física Michael Wilensky y Ruby Byrne, el científico investigador Bryna Hazelton, el investigador postdoctoral Ian Sullivan y Morales. Barry ahora es investigador postdoctoral en la Universidad de Melbourne.

Fuente: University of Washington | Seattle, WA.

Artículo original:

Scientists close in on 12 billion-year-old signal from the end of the universe’s ‘dark age’. James Urton. June 11, 2020.

Material relacionado:

Sobre la búsqueda en el rango visible de las primeras galaxias en la época de la reionización:

Hitos en la historia del Universo (no a escala). 
El gas intergaláctico estuvo en un estado neutral desde aproximadamente 300,000 años después del Big Bang hasta que la luz de la primera generación de estrellas y galaxias comenzó a ionizarlo. El gas fue completamente ionizado después de mil millones de años. 
El estudio LAGER analiza de cerca el estado del Universo a los 800 millones de años (recuadro amarillo) para investigar cuándo y cómo ocurrió esta transformación. 
Crédito de la imagen: NAOJ.

Un equipo de astrónomos, descubrió 23 galaxias jóvenes, que se vieron 800 millones de años después del Big Bang. 

Cámara Dark Energy (DECam), que funciona de noche, mientras un observador vigila. 
Crédito Imagen:
The Dark Energy Survey .

Para detectar estas galaxias utilizaron la Cámara de Energía Oscura (DECam), que está instalada en el   Telescopio Blanco de 4 metros del Observatorio Nacional de Astronomía Óptica (NOAO), ubicado en el  Observatorio Interamericano Cerro Tololo  (CTIO), en el norte de Chile, a una altitud de 2200 metros. Esta búsqueda es parte del Proyecto «Lyman Alpha Galaxies in the Epoch of Reionization (LAGER):El siguiente artículo lo presenta:

La evolución de la época de la reionización a partir de las simulaciones de DRAGONS.
Crédito: Paul Geil y Simon Mutch (The University of Melbourne).

Los astrofísicos, los telescopios, las supercomputadoras y los ingenieros de software se han unido para buscar señales del Universo temprano.

El equipo del Centro Internacional de Investigación de Radio Astronomía (ICRAR) en Australia, el Centro de Supercomputación Pawsey y DownUnder GeoSolutions (DUG), utilizó cientos de horas de observaciones del radiotelescopio Murchison Widefield Array (MWA) recolectadas durante cinco años,  buscando las primeras estrellas y galaxias que se formaron después del Big Bang:

 WA SCIENCE AND INDUSTRY LEADERS PUT THEIR HEADS TOGETHER TO SEARCH FOR THE FIRST STARS AND GALAXIES. International Centre for Radio Astronomy Research (ICRAR), March 24, 2020.

Otro experimento de búsqueda en el rango de longitud de radio, sucesor del Murchison Widefield Array:

El inicio de la construcción de la matriz HERA (2016).
HERA es un instrumento de segunda generación que combina esfuerzos y lecciones aprendidasdel Murchison Widefield Array ( MWA ) y el Donald C. Backer Precision Array para sondear la época de la reionización ( PAPER ). 
La matriz es una gran cuadrícula de platos sin seguimiento de 14 metros (42 pies) de diámetro empaquetados en una cuadrícula hexagonal de 300 m (900 pies) de ancho. 
Este aumento sustancial del área de recolección proporciona un orden de magnitud más en sensibilidad que los instrumentos de primera generación.
Crédito:
 SKA Sudáfrica , CC BY

Cuando nuestro universo tenía aproximadamente mil millones de años, parece que nueve de cada 10  átomos de hidrógeno originales fueron destruidos (ionizados) antes de llegar a las galaxias . ¿Exactamente cuándo y cómo se destruyeron esos primeros átomos en el universo? 

Los astrónomos han debatido estas preguntas durante décadas. Un nuevo experimento, conocido como la Matriz de la Epoca de Reionización del Hidrógeno ( HERA ), esperamos ayude a responder lo que sucedió .

El siguiente artículo lo presenta:

Curiosidades:

Sobre el Square Kilometer Array (SKA), el Radiotelescopio más grande del Mundo, en desarrollo.

Después de siete años de trabajo de diseño y creación de prototipos, el nodo de la Universidad de Curtin del Centro Internacional de Investigación de Radioastronomía (ICRAR) ha completado sus preparativos para la construcción de la matriz de kilómetros cuadrados (SKA) en Australia Occidental, que comenzará el próximo año.

Una exposición de 20 segundos que muestra la Vía Láctea sobre una matriz de prueba de antenas SKA-Low. 
Crédito:
Michael Goh e ICRAR / Curtin.

Se construirán 130,000 antenas de radio individuales, junto con la electrónica asociada, que se extenderán a lo largo de miles de kilómetros cuadrados en el Observatorio de Radioastronomía (MRO) Murchison de CSIRO, aproximadamente a 800 km al norte de Perth. Esto funcionará en conjunto con una variedad de 197 platos ubicados en el Karoo en Sudáfrica, al norte de Ciudad del Cabo. El siguiente artículo lo presenta:

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