¿Han visto los astrónomos indicios de las primeras estrellas? La experiencia arroja dudas sobre una afirmación audaz
La antena EDGES. Los investigadores que utilizaron el instrumento informaron evidencia del amanecer cósmico en 2018.Crédito: Organización de Investigación Científica e Industrial de la Commonwealth
El primer gran intento de reproducir pruebas contundentes del «amanecer cósmico» -la aparición de las primeras estrellas en el Universo 180 millones de años después del Big Bang- ha enturbiado el panorama.
Cuatro años después de que los radioastrónomos informaran sobre el hallazgo de una firma del amanecer cósmico, el radioastrónomo Ravi Subrahmanyan y sus colaboradores describen cómo hicieron flotar una antena en un embalse a lo largo del río Sharavati en el estado indio de Karnataka, en busca de esta señal. «Cuando lo buscamos, no pudimos encontrarlo», dice Subrahmanyan, quien dirigió el esfuerzo en el Instituto de Investigación Raman en Bengaluru, India. Los resultados de su equipo aparecen hoy en astronomía natural1.
Los resultados son «un hito muy importante en el campo», dice Anastasia Fialkov, física teórica de la Universidad de Cambridge, Reino Unido. Ella y otros no estaban convencidos de que las señales del amanecer cósmico fueran reales. Los resultados del equipo de Raman son los primeros en poner la afirmación a prueba, dice, pero cree que aún no tienen el poder para descartarlo por completo.
Primera detección
Los resultados originales causaron revuelo en los círculos de la cosmología, ya que fueron los primeros en afirmar haber descubierto firmas del amanecer cósmico. La luz de las estrellas más antiguas del Universo observable tuvo que viajar casi 14 mil millones de años para llegar a la Tierra, tanto que es demasiado débil para ser vista directamente con telescopios ordinarios. Pero los radioastrónomos buscaron un efecto indirecto, utilizando el espectro de ondas de radio. La luz ultravioleta de las primeras estrellas habría hecho que el hidrógeno interestelar, que de otro modo es transparente en la mayor parte del espectro electromagnético, se volviera ligeramente opaco en una longitud de onda de radio particular.
En 20182, los astrónomos informaron haber visto una caída en el espectro de radio primordial, centrado en una frecuencia de alrededor de 78 megahercios, que el equipo tomó como evidencia del amanecer cósmico. Los investigadores utilizaron un instrumento similar a una mesa de café en el interior de Australia, llamado Experimento para detectar la firma de la época global de reionización (EDGES).
Pero la señal de EDGES parecía algo demasiado bueno. La caída en el espectro fue más profunda y amplia de lo que habían predicho las teorías cosmológicas. Para explicar una huella tan grande, los físicos teóricos han propuesto una variedad de mecanismos exóticos, como la presencia de partículas elementales previamente desconocidas con cargas eléctricas miles de veces más pequeñas que las de un electrón.
Varios otros investigadores han expresado su preocupación, señalando la dificultad de encontrar la firma de radio del amanecer cósmico. Las ondas de radio del Universo primitivo son ahogadas por una cacofonía de ruido producido por fuentes en la Galaxia, que son miles de veces más fuertes. Buscar firmas primordiales en el espectro es como tratar de detectar siluetas de árboles en la cima de una montaña a varios kilómetros de distancia, dice Saleem Zaroubi, astrofísico de la Universidad de Groningen en los Países Bajos.
Para sustraer correctamente el espectro galáctico, los investigadores deben calcular con gran precisión cómo su instrumento y el entorno que lo rodea responden a varias longitudes de onda de radio, también conocido como la sistemática del experimento. El equipo de EDGES hizo todo lo posible para modelar los efectos causados por el suelo del desierto en el Observatorio de Radioastronomía de Murchison en Australia Occidental, por ejemplo, y pasó dos años verificando dos veces los datos antes de publicarlos. Pero algunos científicos se mantuvieron escépticos.
Nuevas experiencias
Desde entonces, se han llevado a cabo varios experimentos simultáneos. intentar cotejar los resultados de EDGES. En un esfuerzo por escapar de la presencia desconcertante de la interferencia de radio de las actividades humanas, y especialmente de las estaciones de radio FM, los equipos han instalado antenas en algunos de los lugares más remotos de la Tierra.
Subrahmanyan, que ahora trabaja en la Organización de Investigación Científica e Industrial de la Commonwealth (CSIRO) en Perth, Australia, ha adoptado el enfoque sin precedentes de sumergirse en el agua. Él y su equipo viajaron a los lagos de la India para hacer flotar encarnaciones sucesivas de su instrumento, llamado Medición de antena en forma del espectro de radio de fondo (SARAS). SARAS tenía una forma cónica destinada a facilitar el cálculo de su respuesta a las ondas de radio, y el agua debajo significaba que el equipo no tenía que lidiar con la estructura incierta y las propiedades de radio del terreno.
La antena SARAS 3 proporcionó resultados que sugieren que la señal de EDGES fue causada por un error del instrumento.Crédito: Ravi Subrahmanyan
«Quedé impresionado con la inteligencia que aplicaron al diseño del instrumento», dice Lincoln Greenhill, un radioastrónomo del Centro Harvard-Smithsoniano de Astrofísica en Cambridge, Massachusetts.
El equipo de SARAS experimentó por primera vez en lagos de gran altitud, pero el agua era demasiado salada o no lo suficientemente salada, lo que afectaba la forma en que transmitía las ondas de radio. Eventualmente, los investigadores encontraron un lago con la salinidad adecuada más cerca de casa. Tomaron datos con una antena llamada SARAS 3, que flotaron en una balsa de poliestireno en un tanque a lo largo del río Sharavati, en marzo de 2020.
Subrahmanyan dice que los resultados de SARAS 3 descartan la detección de EDGES de una firma del amanecer cósmico. «En lo que a nosotros respecta, no es astrofísico», dice. La causa de la caída observada por EDGES puede ser un error del instrumento, señalan los autores en el artículo. Sin embargo, Subrahmanyan dice que es difícil especular qué tipo de efecto podría haber producido el resultado de 2018.
No ha terminado aún
«Nos complace ver que SARAS 3 está funcionando bien y es capaz de realizar mediciones en los niveles necesarios para buscar estructuras espectrales similares a las que encontramos en las observaciones de EDGES», dijo el astrónomo del estado de Arizona Judd Bowman de la Universidad de Tempe, quien es el científico principal de EDGES. Pero Bowman no está convencido de que SARAS 3 descartó los resultados de su equipo. «Estas son mediciones difíciles, y muchos de los posibles problemas sistemáticos que pueden afectar a EDGES también pueden ocurrir con SARAS 3», dice.
El equipo de SARAS no ha tenido la última palabra sobre los hallazgos de EDGES, dice Cynthia Chiang, radioastrónoma de la Universidad McGill en Montreal, Canadá. «Lejos de eso», dijo. Chiang está realizando un experimento que intenta detectar la firma del amanecer cósmico de la isla Marion, frente a Sudáfrica. También participa en un experimento en el Ártico canadiense y otro que podría desplegarse en los Andes chilenos.
Se están realizando otros esfuerzos y otros están comenzando. Subrahmanyan está iniciando un nuevo experimento en CSIRO, y su antiguo colaborador en Raman, el cosmólogo experimental Saurabh Singh, continuará probando con una nueva antena SARAS. Singh también está involucrado en una propuesta a la Organización de Investigación Espacial de la India para una nave espacial que podría evadir la interferencia de radio terrestre al tomar medidas en el lado oculto de la Luna. Cualquiera que sea el destino final del reclamo de EDGES, Singh dice que el equipo detrás de esto merece crédito por el renovado interés en Cosmic Dawn. “Se puso en marcha esta área de investigación”, dice.
