En uno de los primeros estudios astrofísicos de la época en el Universo primitivo cuando se formaron las primeras estrellas y galaxias, conocido como el amanecer cósmico, los investigadores hicieron algunos descubrimientos importantes sobre las primeras galaxias que existieron.

Usando datos del radiotelescopio indio SARAS3, los investigadores dirigidos por la Universidad de Cambridge pudieron observar el universo muy primitivo, solo 200 millones de años después del Big Bang, y establecer límites en la producción de masa y energía de las primeras estrellas y galaxias. .

Contrariamente a la intuición, los investigadores pudieron imponer estos límites a las primeras galaxias al no encontrar la señal que buscaban, la llamada línea de hidrógeno de 21 centímetros.

Esta falta de detección permitió a los investigadores sacar diferentes conclusiones sobre el amanecer cósmico al imponer restricciones a las primeras galaxias, lo que les permitió descartar escenarios que incluían galaxias que eran calentadores ineficientes de gas cósmico y productores eficientes de emisiones de radio.

Si bien aún no podemos observar estas primeras galaxias directamente, podemos ver los resultados informados en la revista. astronomía naturalrepresentan un paso importante para comprender cómo nuestro Universo pasó de estar en gran parte vacío a estar lleno de estrellas.

Comprender el universo primitivo, cuando se formaron las primeras estrellas y galaxias, es uno de los principales objetivos de los nuevos observatorios. Los resultados obtenidos a partir de los datos de SARAS3 son un estudio de prueba de concepto que allana el camino para comprender este período en la evolución del Universo.

El proyecto SKA, que incluye dos telescopios de próxima generación que se completarán a fines de la década, probablemente podrá tomar fotografías del Universo primitivo, pero el desafío para los telescopios actuales es capturar la señal cosmológica de las primeras estrellas reflejadas. por gruesas nubes de hidrógeno se puede ver.

Esta señal se conoce como la línea de 21 centímetros, una señal de radio producida por átomos de hidrógeno en el universo primitivo. A diferencia del JWST lanzado recientemente, que puede obtener imágenes de galaxias individuales en el Universo primitivo directamente, los estudios de la línea de 21 centímetros, realizados con radiotelescopios como el REACH (Radio Experimento para el Análisis del Hidrógeno Cósmico) dirigido por Cambridge, pueden decirnos sobre poblaciones enteras de galaxias incluso anteriores. Los primeros resultados de REACH se esperan para principios de 2023.

Para detectar la línea de 21 centímetros, los astrónomos están buscando una señal de radio producida por átomos de hidrógeno en el universo primitivo, que está influenciada por la luz de las primeras estrellas y la radiación detrás de la nebulosa de hidrógeno. A principios de este año, los mismos investigadores desarrollaron un método que, según dicen, les permitirá ver a través de la nebulosa del Universo primitivo y detectar la luz de las primeras estrellas. Algunas de estas técnicas ya se han puesto en práctica en el presente estudio.

En 2018, otro grupo de investigación que realizaba el experimento EDGES publicó un resultado que sugería la posible detección de esta primera luz. La señal reportada fue inusualmente fuerte en comparación con lo que se espera en la imagen astrofísica más simple del Universo primitivo. Recientemente, los datos de SARAS3 han puesto en duda este descubrimiento: el resultado de EDGES todavía está esperando la confirmación de observaciones independientes.

En un nuevo análisis de los datos de SARAS3, el equipo dirigido por Cambridge probó una variedad de escenarios astrofísicos que potencialmente podrían explicar el resultado de EDGES, pero no encontró ninguna señal correspondiente. En cambio, el equipo pudo poner límites a las propiedades de las primeras estrellas y galaxias.

Los resultados del análisis SARAS3 son la primera vez que las observaciones de radio de la línea promediada de 21 centímetros han brindado información sobre las propiedades de las primeras galaxias, en forma de límites en sus principales propiedades físicas.

Trabajando con colaboradores en India, Australia e Israel, el equipo de Cambridge usó datos del experimento SARAS3 para buscar señales del amanecer cósmico cuando se formaron las primeras galaxias. Usando técnicas de modelado estadístico, los investigadores no pudieron encontrar una señal en los datos de SARAS3.

«Estábamos buscando una señal con una amplitud específica», dijo Harry Bevins, estudiante de doctorado en el Laboratorio Cavendish de Cambridge y autor principal del artículo. «Pero si no encontramos esa señal, podemos limitar su profundidad. Esto, a su vez, nos dice cuán brillantes eran las primeras galaxias”.

«Nuestro análisis ha demostrado que la señal de hidrógeno puede informarnos sobre la población de las primeras estrellas y galaxias», dijo el coautor principal, el Dr. Anastasia Fialkov del Instituto de Astronomía de Cambridge. «Nuestro análisis limita algunas de las propiedades clave de las primeras fuentes de luz, incluidas las masas de las primeras galaxias y la eficiencia con la que estas galaxias pueden formar estrellas. También abordamos la eficiencia con la que estas fuentes emiten rayos X, radio y radiación UV».

«Este es un primer paso para nosotros en una década de descubrimientos sobre cómo el universo pasó de la oscuridad y el vacío al complejo reino de las estrellas, galaxias y otros objetos celestes que podemos ver desde la Tierra hoy», dijo el Dr. Eloy de Lera Acedo del Laboratorio Cavendish en Cambridge, quien codirigió la investigación.

El estudio observacional, en muchos sentidos el primero de su tipo, descarta escenarios en los que las primeras galaxias eran más de mil veces más brillantes en su emisión de banda de radio que las galaxias actuales y eran pobres calentadores de gas hidrógeno.

«Nuestros datos también revelan algo que se insinuó anteriormente, a saber, que las primeras estrellas y galaxias pueden haber hecho una contribución medible a la radiación de fondo creada por el Big Bang que ha estado migrando hacia nosotros desde entonces. «, dijo de Lera Acedo, «También establecemos un límite para esta contribución».

«Es increíble poder mirar tan atrás en el tiempo, hasta 200 millones de años después del Big Bang, y aprender sobre el Universo primitivo», dijo Bevins.

La investigación fue apoyada en parte por el Consejo de Instalaciones de Ciencia y Tecnología (STFC), parte de Investigación e Innovación del Reino Unido (UKRI) y la Royal Society. Los autores de Cambridge son todos miembros del Instituto Kavli de Cosmología de Cambridge.

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