OPINIÓN: Un descubrimiento apabullante sobre el origen del universo

Nota del editor: Don Lincoln es físico en jefe en Fermilab, en donde hace investigaciones con el Gran Colisionador de Hadrones. Escribió el libro The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind y produce una serie de videos de divulgación científica. Síguelo en Facebook . Las opiniones expresadas en esta columna son exclusivas de su autor.

(CNN) — Desde hace miles de años, los humanos han contemplado el cielo claro de medianoche y se han maravillado ante el espectáculo celeste. Las estrellas parecen eternas, como si siempre hubieran estado allí. Solo que hay un problema. No es así.

El universo estuvo totalmente a oscuras alguna vez; no había ni una luz en todo el cosmos. Luego, una estrella estalló en llamas nucleares y rompió el vacío. Después hubo un estallido tras otro y así surgieron las estrellas y las galaxias del universo que conocemos.

En el que bien podría ser un descubrimiento apabullante, un grupo de astrónomos anunció que habían encontrado señales de radio que al parecer dan pruebas del nacimiento de las primeras estrellas. Además, para darle más emoción al anuncio, es posible que descubrieran la materia oscura, una sustancia hipotética que ha eludido a los científicos desde hace décadas.

Según Associated Press, el astrónomo Avi Loeb, profesor de la Universidad de Harvard, Estados Unidos, dijo que "si se confirma, este descubrimiento merece dos premios Nobel", uno por observar la señal de las primeras estrellas y el otro por la detección de la materia oscura. Luego, señaló conservadoramente que ambas afirmaciones son extraordinarias y exigen pruebas extraordinarias. Urgió a ser cautos.

Y tiene razón. La señal que se observó es muy pequeña. Las fuentes de señales de radio en la Vía Láctea pueden ser 10,000 veces más fuertes que la señal observada. Los investigadores tienen que esforzarse para eliminar esta señal dominante. Es como tratar de oír a alguien que está susurrándote algo en un concierto de rock. Si conoces muy bien al vocalista y la canción, podrías quitar el sonido de la banda y recuperar el susurro, al menos en teoría. Pero si hay crepitación en los amplificadores o si el vocalista está resfriado, podrías equivocarte.

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Esta medición podría respaldarse o demostrarse falsa con nuevos datos. Es más probable que se confirme la observación de las primeras estrellas, pero es menos seguro confirmar la observación de la materia oscura. Sin embargo, si se confirmara, esta señal tenue de radio podría ser un avance enorme en nuestra comprensión del origen del universo.

Vale la pena recordar que este trabajo es posible gracias a la ciencia financiada por el gobierno. Aunque la mayoría de la gente reconoce la intervención de la ciencia en la generación de tecnologías nuevas que mejoran nuestra vida, la ciencia financiada por el gobierno ha logrado un descubrimiento tras otro, lo que nos ha llevado a entender el mundo que nos rodea como los científicos de hace apenas cien años solo podían imaginar.

El origen del universo

Aunque la mayoría de las personas saben algo sobre la explicación científica sobre el origen del universo, no todos saben la historia completa de lo que la física ha ayudado a descubrir. Hace poco más de 14,000 millones de años, el universo nació en un evento conocido como Big Bang .

Toda la materia y la energía del universo visible estaban concentradas en un volumen minúsculo, explotaron —a falta de una palabra mejor— y empezaron a expandirse. El universo era inimaginablemente caliente y brillaba como un horno siderúrgico; la energía se transformaba en materia y esta, en energía. En cosa de tres minutos se formaron los núcleos de hidrógeno y helio, sacudidos por una lluvia energética de electrones. Este enjambre de partículas cargadas brillaba intensamente y no dejaba pasar la luz. Desde el punto de vista de la luz, el universo entero era un muro brillante y opaco.

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Durante 380,000 años, el universo se expandió y se enfrío hasta una temperatura de 3,000 grados Kelvin (unos 2,700 °C). A esa temperatura, los núcleos de helio e hidrógeno podían atrapar electrones para crear átomos de hidrógeno y helio. Con ese acontecimiento singular, el universo se oscureció.

Así, comenzó lo que se conoce como edad oscura. El universo siguió expandiéndose y enfriándose, lleno de nubes de hidrógeno y helio. La gravedad tomó el control: las zonas ligeramente más densas del universo atraían al gas y creaban cúmulos cada vez más densos. Mientras el universo se enfriaba, la temperatura del centro de estos cúmulos se calentaba; tras unos 180 millones de años, se calentaron tanto que los núcleos del gas empezaron a fusionarse. Así nacieron las primeras estrellas.

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Ahora, resulta que no es tan fácil ver directamente la luz de esas estrellas distantes. Después de todo, estaban sumergidas en nubes de hidrógeno frío que absorbían la luz. Esa absorción de luz fue lo que las reveló. Mientras el hidrógeno absorbía la luz de las estrellas, volvía a emitir la energía de forma fácilmente identificable.

Las estrellas jóvenes arden a temperaturas muy elevadas y emiten mucha luz ultravioleta, como la que te quema la piel. El gas de hidrógeno absorbe la luz y empuja a los electrones hacia órbitas energéticas más altas. Tarde o temprano, los electrones pierden energía y regresan a la órbita más baja en una de dos configuraciones.

El hidrógeno consiste en un protón y un electrón; ambas partículas actúan como pequeños imanes y tienen un polo norte y un polo sur. En un átomo de hidrógeno, el polo norte del protón puede apuntar en la misma dirección o en dirección opuesta al del electrón. Si apuntan en la misma dirección, se quedan así por un lapso breve y luego el polo norte del electrón se voltea y apunta en dirección opuesta al del protón. Esto es justamente lo que pasa con los imanes comunes. Cuando el electrón se voltea, emite una radiación con una longitud de onda característica (de 21 cm o 1420 mHz, aproximadamente la misma frecuencia del servicio celular 4G). Al detectar esta radiación, los científicos pueden detectar, indirectamente, la existencia de las primeras estrellas.

El Big Bang provocó que el universo se expandiera, lo que en consecuencia extendió la longitud de onda de la radiación del hidrógeno y redujo su frecuencia. Hoy, esta radiación es de solo 78 mHz, ligeramente por debajo del rango de la radio FM.

Al estudiar el espectro celeste, los astrónomos determinaron que el periodo en el que las estrellas calentaron las nubes de gas de hidrógeno fue de entre 180 y 260 millones de años después del Big Bang. Tras 260 millones de años, el gas se calentó lo suficiente como para ser transparente a la luz de las estrellas. Para dar un poco de perspectiva respecto a la magnitud del logro, el telescopio espacial Hubble solo ha podido crear imágenes directas de las galaxias que existieron 400 millones de años después del Big Bang. Este descubrimiento redujo a la mitad el periodo del universo del que no había datos.

La importancia de la materia oscura

Aunque ver pruebas de las primeras estrellas es bastante emocionante, esta investigación tiene otra consecuencia que podría cambiar paradigmas. El tamaño de la señal observada es dos veces más grande de lo esperado. Esto significa que el gas del universo primitivo era más frío de lo que se esperaba o que la radiación residual de fondo del Big Bang estaba mucho más caliente. ¿Cuál es la opción correcta? La verdad, los científicos no lo saben. Parece que el gas de hidrógeno se enfrío más efectivamente de lo que pueden explicar las teorías actuales. Se probaron varias explicaciones posibles y los científicos afirman que la más probable es que el hidrógeno primitivo interactuara más intensamente de lo esperado con la materia oscura .

La materia oscura es una sustancia hipotética que explica muchas anomalías astronómicas, como la rotación sumamente rápida de ciertas galaxias, que no puede explicarse con la gravedad de la materia observable, e incluso los cúmulos de galaxias que se mueven tan rápido que no deberían estar unidas. La materia oscura no interactúa con la luz ni con la radiación electromagnética y solo revela su presencia a través de la interacción gravitatoria. Si la materia oscura interactuó con la materia ordinaria en el universo primitivo, podría enfriar el gas y esto explicaría la discrepancia detectada.

Como ocurre con todos los descubrimientos extraordinarios, la clave es que varios investigadores independientes lo verifiquen. Hasta que se confirme, es importante ser escéptico. Otros astrónomos intentarán replicar las mediciones. También las nuevas tecnologías podrían ser útiles.

Hay un proyecto de lanzar un nuevo telescopio, llamado telescopio espacial James Webb (JWST, por sus siglas en inglés), que diseñaron en conjunto la NASA y las agencias espaciales de Canadá y Europa. Está diseñado para medir directamente la luz de las estrellas más antiguas, cuya longitud de onda se alargó por la expansión del universo. El JWST es el sucesor del Hubble y se espera que revolucione la astronomía como lo hizo el Hubble en su momento. Se espera que el JWST se lance en más o menos año y medio.

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