La característica de la absorción de luz por el hidrógeno que rodea las primeras galaxias podría usarse como una nueva sonda fresca en los misterios de la materia oscura y cómo afectó la evolución del universo durante las edades oscuras cósmicas.
Los científicos han asumido durante mucho tiempo que la materia oscura, una sustancia misteriosa que constituye aproximadamente el 85% de la materia del universo, desempeñó un papel importante en la formación de las primeras galaxias. Pero dado que la materia oscura no interactúa con la luz (a diferencia de la materia «normal» de la que estamos hechos las estrellas, los planetas y nosotros), su naturaleza sigue siendo desconocida. Esto significa que el papel preciso que jugaron cuando las galaxias comenzaron a formarse todavía representa una brecha en los modelos cosmológicos.
Para investigar este misterio, científicos de la Universidad del Noreste de China y los Observatorios Astronómicos Nacionales de la Academia de Ciencias de China (NAOC) han propuesto una nueva sonda para arrojar luz sobre la naturaleza de la materia oscura y la formación temprana de galaxias.
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Una forma posible de investigar las partículas que componen la materia oscura y su masa es estudiando estructuras a pequeña escala en el universo. El problema surge al tratar de hacer esto durante un período llamado «amanecer cósmico», unos 380 millones de años después del Big Bang, que es cuando recién nacían las primeras estrellas. Por lo tanto, había pocas fuentes de luz viables para iluminar esta era antigua para los astrónomos.
Pero hubo átomos durante esta era, en forma de gas del elemento químico más liviano, el hidrógeno. Como todos los elementos, el hidrógeno absorbe luz en distintas longitudes de onda, dejando su huella en la luz que lo atraviesa.
Buscando materia oscura en una jungla cósmica
El gas de hidrógeno atómico dentro y alrededor de las diminutas estructuras que existieron durante el amanecer cósmico, que terminó unos mil millones de años después del Big Bang, crea distintas líneas de absorción a 21 cm, en el rango de radio del espectro electromagnético. En conjunto, estos se denominan Bosque de 21 cm, que se ha propuesto como una posible sonda de la temperatura del gas y la materia oscura durante el amanecer cósmico durante más de 20 años.
Sin embargo, esto sigue siendo solo un concepto teórico, debido al hecho de que la luz de esta era ha estado viajando durante unos 13.400 millones de años para llegar a nosotros. En el camino, perdió energía, extendiendo su longitud de onda y bajando su frecuencia, moviéndolo por el espectro electromagnético hacia la región roja y más allá hacia el infrarrojo.
Cuanto más lejos esté la fuente de luz, más extremo será el proceso de «corrimiento al rojo». Con la ausencia de la luz de las estrellas, usar el bosque de 21 centímetros como una sonda de materia oscura requeriría ver fuentes muy fuertes como los cuásares en el amanecer cósmico y, por lo tanto, con un alto desplazamiento al rojo. Pero las señales de tales fuentes de radio de esta era son más tenues, y es difícil identificar fuentes de fondo de tan alto corrimiento al rojo.
Sin embargo, esta situación puede estar a punto de cambiar. No solo se han descubierto recientemente varios cuásares de alto corrimiento al rojo, sino que el radiotelescopio más grande del mundo, el Square Kilometer Array (SKA), comenzó a construirse en Australia y Sudáfrica en diciembre de 2022 y pronto abrirá su ojo de radio sensible en el universo. Esto indica que el descubrimiento y uso del bosque de 21 centímetros pronto puede ser posible.
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El equipo detrás del nuevo estudio cree que medir la distribución de energía del bosque de 21 centímetros, o su «espectro de energía», lo convertiría en una sonda razonable para medir simultáneamente las propiedades de la materia oscura y la historia térmica del universo.
Esto puede ayudar a los investigadores a distinguir entre el modelo de materia oscura fría del universo, uno con partículas masivas de materia oscura que se mueven lentamente en comparación con la velocidad de la luz, y el modelo de materia oscura caliente, con partículas de materia oscura más ligeras y rápidas.
«Al medir el espectro de energía unidimensional de un bosque de 21 centímetros, no solo podemos hacer que la sonda sea verdaderamente factible al aumentar la sensibilidad, sino que también proporcionamos una forma de distinguir entre los efectos de los modelos de materia oscura cálida y el proceso de calentamiento temprano. «, dijo el investigador de los Observatorios Astronómicos Nacionales Yidong Xu, autor. contraste con el nuevo estudio. «¡Seremos capaces de matar dos pájaros de un tiro!»
Siempre que el calentamiento cósmico no fuera demasiado intenso durante el amanecer cósmico, las capacidades de baja frecuencia de la primera etapa de los procesos SKA deberían significar que los científicos pueden limitar la masa de partículas de materia oscura y la temperatura del gas. Si el calentamiento cósmico es demasiado grande, la segunda etapa de SKA verá expandirse un instrumento, lo que resultará en el uso de múltiples fuentes de radio de fondo que presentan las mismas limitaciones.
Dado que el uso potencial del Bosque de 21 cm como sonda de materia oscura está vinculado a las observaciones de fuentes de radio de alto corrimiento al rojo, el próximo paso en esta investigación es identificar más fuentes de radiación de radio durante el amanecer cósmico, incluidas más fuentes de radio alto. quasars y afterglows Rayos gamma.
Luego, estas fuentes se pueden buscar una vez que SKA comience a observar el universo en 2027, lo que permitirá a los astrónomos arrojar más luz sobre los misterios de la materia oscura y las primeras galaxias.
La investigación del equipo se presenta en la edición del 6 de julio de la revista Nature Astronomy.
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