Científicos acaban de simular las señales extremadamente débiles emitidas por el hidrógeno primordial durante las Edades oscuras cósmicas, ese período que precedió al encendido de las primeras estrellas. Estas ondas de radio fósiles, casi indetectables desde la Tierra, podrían revelar la verdadera naturaleza de la materia oscura gracias a futuras misiones lunares.
Un equipo internacional ha desarrollado simulaciones informáticas para estudiar cómo las ondas de radio de 21 centímetros emitidas por el hidrógeno neutro durante los primeros 100 millones de años del Universo podrían delatar las propiedades de la materia oscura. Esta sustancia invisible constituye aproximadamente el 80% de toda la materia cósmica, pero no interactúa con la luz, lo que la hace extremadamente difícil de observar directamente. Los investigadores han publicado sus resultados en
Nature Astronomy, demostrando que la fuerza promedio de la señal de radio depende en gran medida de la masa de las partículas de materia oscura.
Si estas partículas son muy ligeras, inferiores al 5% de la masa de un electrón, la materia oscura se denomina "caliente" e impide la formación de estructuras cósmicas pequeñas como las galaxias enanas. Por el contrario, partículas más pesadas crean una materia oscura "fría" que favorece el desarrollo de estructuras a pequeña escala. Esta diferencia se manifiesta en la manera en que el gas primordial se aglomeró durante las Edades oscuras.
Comparación de los escenarios de materia oscura fría (izquierda) y caliente (derecha) mostrando la evolución de las estructuras gaseosas durante las Edades oscuras cósmicas
Crédito: Hyunbae Park Las simulaciones revelan cómo el gas se enfrió progresivamente durante la expansión del Universo mientras formaba cúmulos mediante la interacción gravitacional con la materia oscura. En estas regiones densas, el gas se comprimió y calentó, creando variaciones de temperatura y densidad que dejaron su huella en la señal de radio del hidrógeno. El equipo modeló esta señal y descubrió que su intensidad promedio difiere significativamente entre los escenarios de materia oscura fría y caliente.
La detección de esta señal sutil requiere un ambiente de radio excepcionalmente tranquilo, imposible de encontrar en la Tierra debido a las interferencias humanas y a la ionosfera que bloquea las bajas frecuencias. La cara oculta de la Luna ofrece, por el contrario, un refugio ideal, protegido de las perturbaciones terrestres. Varias naciones desarrollan actualmente misiones lunares dedicadas a la astronomía de radio, incluido el proyecto japonés Tsukuyomi, que planea desplegar antenas de radio en nuestro satélite natural en las próximas décadas.
Señal de radio promedio del hidrógeno prevista 100 millones de años después del Big Bang para diferentes escenarios de materia oscura
Crédito: Park et al. Las Edades oscuras cósmicas
Las Edades oscuras cósmicas representan el período que siguió inmediatamente al Big Bang, antes de la formación de las primeras estrellas y galaxias. Durante esta era, el Universo estaba lleno de una niebla de hidrógeno neutro que no emitía luz visible, de ahí el nombre de Edades oscuras.
Este período duró aproximadamente 100 a 200 millones de años después del Big Bang, mientras el Universo continuaba su expansión y enfriamiento. El gas de hidrógeno primordial apenas comenzaba a organizarse bajo la influencia de la gravedad, formando las primeras estructuras que más tarde se convertirían en galaxias.
Sin embargo, el hidrógeno neutro de esa época emitía una radiación de radio muy específica a 21 centímetros de longitud de onda, correspondiente a la transición entre dos niveles de energía del átomo de hidrógeno. Esta señal de radio fósil constituye nuestra única ventana de observación directa sobre este período crucial de la historia cósmica.
El estudio de estas señales permite a los astrónomos remontarse en el tiempo hasta los primeros instantes de la estructuración del Universo, mucho antes de la aparición de las primeras fuentes luminosas.
Fuente: Nature Astronomy