El fondo cósmico de microondas: un muro de luz que oculta secretos del universo

En los momentos más tempranos del universo, ocurrieron eventos fundamentales que dieron origen a partículas elementales, los primeros núcleos de hidrógeno y helio, y fluctuaciones de energía y materia que impulsaron la formación de galaxias y agujeros negros supermasivos. Sin embargo, todo esto permanece invisible para nosotros.

Cuando se explora el universo distante, solo se puede observar hasta el punto en que el cosmos tenía 380,000 años. Antes de ese tiempo, el universo era más caliente que la superficie de una estrella, y la luz no podía viajar miles de millones de años luz para alcanzarnos. Por lo tanto, lo que vemos es un fondo cósmico de un universo en su infancia, ahora enfriado a microondas débiles gracias a la expansión cósmica. Todos los datos cosmológicos realmente valiosos están ocultos tras este velo.

Aunque nunca se podrá observar directamente los eventos más allá de los 380,000 años, existen formas de capturar información a partir de datos indirectos. Dos nuevos estudios exploran cómo podría lograrse esto en el futuro.

En el primer trabajo, publicado en el servidor de preprints arXiv, los autores investigan cómo los rayos X débiles podrían contener pistas. Aunque la visión común del Big Bang es que fue una explosión tremenda, la realidad es más compleja. No fue una explosión en el espacio, sino una densa inflación del propio espacio y tiempo.

Dentro del universo temprano, las fluctuaciones en la densidad pudieron haber desencadenado explosiones en forma de estallidos. Estos estallidos podrían haber creado las semillas de cosas como los agujeros negros supermasivos que observamos hoy. Pero también habrían desencadenado una cascada de partículas elementales. Dado que las partículas aparecen en pares de materia-antimateria, las regiones de estallido estarían llenas de electrones y positrones, que producen rayos X y otros fotones de alta energía.

La mayoría de las personas están familiarizadas con el fondo cósmico de radiación de microondas, pero también existe un fondo cósmico de rayos X. La diferencia es que el fondo de rayos X no se debe al Big Bang, sino a varios procesos astrofísicos. Sin embargo, aquí es donde se vuelve interesante. El fondo cósmico de rayos X es un fondo bastante uniforme de rayos X "suaves" de menor energía. Los rayos X formados a partir de estallidos aparecerían como picos inusuales en los datos de rayos X. Con telescopios de rayos X más sofisticados y tiempos de observación prolongados, podríamos estudiar estos picos.

En el segundo trabajo, publicado en The Astrophysical Journal, los autores analizan otra consecuencia de los estallidos cósmicos tempranos. Además de la cascada de partículas de materia y antimateria, estos estallidos iniciales habrían creado neutrinos de alta energía. Dado que los neutrinos solo interactúan débilmente con la materia normal, podrían haber escapado del muro cósmico más pronto.

Esto se observó con la supernova 1987a, cuando un estallido de neutrinos del núcleo colapsante de una estrella llegó a la Tierra un poco antes que la luz de la supernova misma. Los neutrinos pudieron escapar del núcleo antes de que la supernova se hubiera desencadenado completamente.

Si hubo estallidos un poco antes del muro de 380,000 años, sus neutrinos podrían haber escapado temprano. Al observar el fondo de neutrinos cósmicos, podríamos observar picos de neutrinos que no tienen una fuente astrofísica. Estos se destacarían contra el fondo de neutrinos. Es una gran idea, pero tiene un inconveniente: en este momento no tenemos forma de observar el fondo de neutrinos en detalle. Los neutrinos son notoriamente difíciles de observar, y aunque nuestros detectores han visto neutrinos cósmicos, todavía solo detectamos un puñado de neutrinos a la vez.

Sin embargo, los humanos son ingeniosos, y quién sabe qué nueva tecnología podrían crear los astrónomos del futuro. Vale la pena explorar estas ideas porque hay tanto que podríamos aprender al asomarnos más allá del velo del Big Bang.