¿Cómo emergió la primera luz del universo a partir de la oscuridad? Un estudio ofrece las claves

Una señal cósmica del universo primitivo ayudará a desvelar cómo eran las primeras estrellas, según apunta un estudio, publicado en la revista científica 'Nature Astronomy', el cual demuestra que será posible conocer su masa después de su formación tras el Big Bang.

En este estudio, el Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC) ha analizado en qué medida instrumentos como la antena de radio Reach o el radiotelescopio SKAO permitirán reconstruir cómo eran esos cuerpos celestes primigenios.

Comprender cómo el universo pasó de la oscuridad a la luz con la formación de las primeras estrellas y galaxias constituye un punto de inflexión clave en su evolución, conocido como el Amanecer Cósmico, según ha explicado en una nota de prensa este viernes el IAA-CSIC.

Sin embargo, ni siquiera los telescopios más potentes pueden observar directamente estas primeras estrellas, por lo que determinar sus propiedades sigue siendo uno de los mayores desafíos de la astronomía. Ahora, un equipo científico internacional, en el que participa el IAA-CSIC, ha demostrado que será posible conocer la masa de las primeras estrellas.

"Dado que estos cuerpos celestes se formaron hace más de 13.000 millones de años, ya han completado su evolución y no pueden observarse de forma directa. Por ese motivo, en este trabajo utilizamos una señal indirecta para estudiar la distribución de masas de esas primeras estrellas: la línea de 21 centímetros", ha afirmado Giovanni Mirouh, investigador del IAA-CSIC que participa en el estudio.

La línea de 21 centímetros es una señal muy tenue, pero detectable desde la Tierra, que contiene información valiosa sobre cómo era el universo en épocas muy tempranas. Al analizar cómo las primeras estrellas y sus remanentes influyeron en esa señal, el equipo investigador ha demostrado que los radiotelescopios del futuro permitirán "entender mejor el universo primitivo y cómo pasó de ser una masa casi homogénea de hidrógeno a la complejidad" que se observa hoy.

"Se trata de una oportunidad única para comprender cómo emergió la primera luz del universo a partir de la oscuridad", ha afirmado Anastasia Fialkov, coautora del estudio e investigadora del Instituto de Astronomía de Cambridge (Reino Unido), donde dirige el grupo de investigación que ha liderado este estudio. "La transición de un universo frío y oscuro a otro lleno de estrellas es una historia que apenas estamos empezando a desentrañar", ha añadido.

Este estudio tiene como objetivo "descifrar cómo eran las primeras estrellas del universo". Para ello, se han simulado diferentes poblaciones estelares, es decir, grupos de estrellas con distintas características iniciales, como su masa, incluyendo también sistemas binarios, donde dos estrellas orbitan una alrededor de la otra.

En algunos de estos sistemas, una de las estrellas puede acabar su vida convirtiéndose en un agujero negro o en una estrella de neutrones, y comenzar a absorber material de su compañera. Este proceso genera rayos X muy energéticos, que pueden afectar al hidrógeno interestelar ionizándolo, es decir, alterando sus átomos. Ese hidrógeno, a su vez, emite la señal conocida como la línea de 21 cm, que puede verse modificada por la radiación.

"Lo más interesante es que los rayos X modifican esa señal, y por eso, al estudiar cómo ha cambiado, podemos obtener pistas sobre cómo eran esas estrellas primigenias", ha explicado por su parte Mirouh. El IAA-CSIC ha contribuido a este trabajo a través de la participación de este científico, cuyo trabajo ha consistido en proporcionar los modelos de estrellas sin metales --formadas solo por hidrógeno y helio-- que sirven de base para las simulaciones de poblaciones estelares. Estos modelos abarcan un amplio rango de masas, de hasta mil veces la masa del Sol.

"Esto ha supuesto un reto por las características extremas de las estrellas más masivas: viven poco tiempo y tienen estructuras mucho más infladas que las estrellas actuales", ha explicado el investigador del IAA-CSIC.

Además, Mirouh ha participado en el desarrollo del código de poblaciones estelares, permitiendo que los parámetros de las estrellas se obtengan directamente de los modelos físicos en lugar de recurrir a fórmulas antiguas, poco adecuadas para este tipo de objetos. Otro aspecto importante de este estudio ha sido el análisis del potencial de instrumentos como Reach y SKAO para detectar las variaciones en la señal, lo que permitiría reconstruir cómo eran las primeras estrellas.

"La buena noticia es que sí: los resultados muestran que con suficientes horas de observación, o con la sensibilidad adecuada, podríamos distinguir entre distintos escenarios, e incluso hacerlo mejor si combinamos los datos de ambos instrumentos", ha señalado Mirouh (IAA-CSIC).

Reach es una antena de radio diseñada para captar la débil señal de 21 centímetros del hidrógeno primitivo. Aunque aún se encuentra en fase de calibración, se espera que pueda aportar datos clave sobre el Amanecer Cósmico y la Época de la Reionización, cuando las primeras estrellas alteraron la estructura del hidrógeno en el universo.

Por su parte, el SKAO, cuya coordinación española está liderada por el IAA-CSIC, será el mayor radiotelescopio del mundo, formado por miles de antenas distribuidas principalmente en Sudáfrica y Australia. Permitirá mapear con gran precisión las fluctuaciones de la línea de 21 centímetros en enormes regiones del cielo, y por tanto estudiar en detalle cómo evolucionaron las primeras estructuras del universo.

Ambos proyectos son fundamentales para investigar las masas, luminosidades y distribución de las primeras estrellas. Aunque estos instrumentos no podrán observar estrellas individuales, sí proporcionarán información sobre poblaciones completas, sistemas binarios de rayos X y galaxias.

"Me resulta fascinante pensar que las primeras estrellas que se formaron tras el Big Bang moldearon el universo de una manera que aún hoy podemos medir", ha afirmado Mirouh, quien ha concluido "estas estrellas se formaron hace miles de millones de años y ya han desaparecido, y aún así somos capaces de inferir las masas con las que nacieron gracias a una única medida obtenida con un instrumento de última generación".