Un antiguo señal de hidrógeno de 9 mil millones de años podría desvelar el misterio de la energía oscura

Por primera vez, el Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment (CHIME) demostró que puede detectar el tenue brillo radiofónico del gas hidrógeno proveniente del universo distante utilizando solo sus propias observaciones. Este avance ofrece a los científicos una manera más rápida y menos costosa de investigar la energía oscura, un fenómeno aún misterioso que se cree acelera la expansión del universo.

Comprender la energía oscura sigue siendo uno de los problemas no resueltos más importantes de la física moderna. Este logro también representa un hito significativo para CHIME, que fue diseñado originalmente para realizar este tipo de mediciones. Los hallazgos fueron publicados en The Astrophysical Journal.

El coautor Dr. Arnab Chakraborty, investigador postdoctoral en la Universidad de Toronto, quien propuso inicialmente el hallazgo, comentó: "El hidrógeno es el elemento más común en el universo y la materia prima de la que se forman las estrellas. Su tenue emisión radiofónica actúa como un trazador cósmico, revelando cómo se distribuye la materia en el espacio".

Los científicos han propuesto explicaciones competidoras sobre la naturaleza de la energía oscura. Dado que CHIME ahora puede realizar estas mediciones utilizando sus propios datos, los investigadores pueden probar esas ideas de forma independiente y reunir evidencia que podría respaldar o desafiar teorías existentes.

"Esta es una técnica completamente nueva para investigar el cosmos, proporcionada por un instrumento concebido, construido y financiado por canadienses", agregó el coautor Dr. Mark Halpern, profesor del departamento de física y astronomía de UBC y principal investigador de CHIME. "Es un nuevo paso audaz en el programa de cosmología global y una historia de éxito canadiense".

Mapeando el universo con hidrógeno

CHIME es un telescopio de radio ubicado cerca de Penticton, Columbia Británica, y está alojado por el Consejo Nacional de Investigación de Canadá (NRC). El instrumento realiza un mapeo diario de todo el cielo del norte.

El proyecto reúne a investigadores de todo Canadá, incluidos científicos de la Universidad de Columbia Británica, McGill University, la Universidad de Toronto y el Observatorio Radioastronómico Dominion (NRC). Otros colaboradores norteamericanos, como la Universidad Estatal de Arizona, también participan en el esfuerzo.

Uno de los principales objetivos de CHIME es trazar cómo se distribuyó el gas hidrógeno en el universo temprano. Al medir esa estructura a gran escala, los astrónomos pueden reconstruir cómo se expandió el universo a lo largo del tiempo y utilizar esas mediciones para investigar la energía oscura.

Hasta ahora, los investigadores de CHIME necesitaban comparar sus observaciones de radio con datos de encuestas de galaxias recopilados por otros telescopios. Estas encuestas abordan preguntas cosmológicas similares observando la luz de galaxias con mucho mayor detalle. Sin embargo, pueden costar millones de dólares más y principalmente examinan regiones del universo que son lo suficientemente calientes y densas como para que se formen estrellas.

CHIME mide en cambio la emisión de radio combinada producida por el propio hidrógeno. Este enfoque permite a los investigadores examinar regiones mucho más grandes del cosmos, retroceder más en el tiempo y perseguir preguntas similares a una fracción del costo, sin depender de datos de otras encuestas.

Lo que revela la señal de hidrógeno

En un documento complementario, los investigadores analizaron lo que la nueva señal detectada puede revelar a los científicos sobre cómo se distribuyó el hidrógeno en todo el universo.

"Nuestros datos indican que aproximadamente el dos por ciento del hidrógeno en el universo estaba en forma atómica neutra en ese momento, lo cual es consistente con otras mediciones", dijo el coautor Dr. Shabbir Shaikh, investigador postdoctoral en la Universidad Estatal de Arizona. "Al medir cómo se distribuye y agrupa ese hidrógeno, CHIME nos proporciona una nueva forma de probar nuestra comprensión de cómo se forman y evolucionan las galaxias".

Por lo tanto, la medición ofrece más que una nueva forma de estudiar la expansión cósmica. También puede ayudar a los investigadores a probar modelos de formación de galaxias y comprender mejor cómo se organizó la materia en todo el universo.

Encontrando una señal enterrada en el ruido cósmico

El descubrimiento no llegó como un avance repentino. Los investigadores debieron utilizar nuevos métodos de procesamiento y análisis de datos para extraer la señal de hidrógeno extremadamente débil de fuentes de interferencia mucho más fuertes.

Ese fondo incluía ruido de radio del propio universo, señales producidas por la tecnología humana e incluso efectos creados por el telescopio. Después de identificar la posible firma de hidrógeno, el equipo pasó más de un año probándola para asegurarse de que el resultado fuera genuino.

Su análisis mostró que la señal provenía del hidrógeno en el universo distante cuando este tenía aproximadamente cinco mil millones de años. El resultado se basó en 94 noches de observaciones recolectadas en 2019.

"Trabajamos muy duro para convencernos de que esto no era una falsa alarma", comentó el Dr. Chakraborty. "Después de todas las pruebas, la señal permaneció. Eso nos dio confianza de que estábamos viendo hidrógeno real del universo distante".

Quedan siete años de observaciones de CHIME

El nuevo resultado se basa solo en una pequeña porción de la información que CHIME ha recopilado desde que comenzó a operar.

Los investigadores ahora tienen casi siete años de observaciones disponibles para análisis. Están trabajando para extender la técnica más atrás en la historia cósmica, con el objetivo de estudiar una era en la que el universo tenía solo tres mil millones de años.

"Durante mucho tiempo, los astrofísicos han creído que existe un gran potencial en esta técnica de mapeo de hidrógeno con este tipo de telescopio. Al demostrar que la técnica funciona en la práctica, hemos abierto una nueva ventana al universo. Podemos usarla para probar nuestras teorías actuales y aprender cosas nuevas sobre galaxias y otras propiedades del universo", concluyó el coautor Dr. Simon Foreman, profesor asistente en la Universidad Estatal de Arizona.

Este proyecto está financiado por la Canada Foundation for Innovation, el National Research Council of Canada, el Natural Sciences and Engineering Research Council y las provincias de Columbia Británica, Ontario y Quebec, y apoyado por la Digital Research Alliance of Canada.