Un satélite del tamaño de una valija podría escuchar el universo antes de la existencia de estrellas

Un satélite que no supera el tamaño de una valija de mano podría ayudar a los científicos a investigar uno de los periodos menos comprendidos de la historia cósmica: los aproximadamente 150 millones de años de oscuridad previos a la aparición de las primeras estrellas del universo.

Desarrollado en el Reino Unido, el satélite se llama CosmoCube. Un equipo de investigación internacional liderado por la Universidad de Cambridge planeó enviarlo alrededor de la Luna, donde la cara oculta bloqueará la interferencia de radio proveniente de la Tierra. En ese entorno inusualmente silencioso, CosmoCube escuchará una señal extraordinariamente débil que dejó el universo temprano.

Buscando una señal de antes de las primeras estrellas

Los científicos denominan a esta señal la línea de 21 centímetros. Proviene de los átomos de hidrógeno que existieron durante el periodo entre el resplandor residual del Big Bang y el Cosmic Dawn, cuando se activó la fusión nuclear dentro de las primeras estrellas.

Nadie ha observado directamente este capítulo de la historia cósmica.

La señal que CosmoCube buscará se originó hace más de 13.5 mil millones de años, pero detectarla desde la Tierra resulta extremadamente complicado. La ionosfera de nuestro planeta impide que las frecuencias de radio relevantes lleguen a los observatorios terrestres, mientras que las transmisiones de FM, los satélites y las telecomunicaciones generan interferencias adicionales que pueden abrumar la débil señal cósmica.

La Luna ofrece una solución natural.

Cuando CosmoCube pase detrás de la Luna, este cuerpo lunar bloqueará el ruido de radio de la Tierra durante aproximadamente 40 minutos en cada órbita de dos horas. A lo largo de la misión de dos años que se espera, los investigadores esperan recopilar alrededor de 1000 horas de observaciones de una de las últimas eras mayormente inexploradas del universo.

Esas mediciones podrían ayudar a explicar cómo el cosmos pasó de ser un lugar oscuro y relativamente vacío a convertirse en el rico universo de estrellas, galaxias y otras estructuras que se observan hoy.

El proyecto recibió financiamiento de la Agencia Espacial del Reino Unido, y los investigadores esperan que CosmoCube pueda lanzarse dentro de los próximos cinco años. Los detalles de la misión se publicaron en Nature Astronomy.

Investigando la influencia temprana de la materia oscura

CosmoCube está diseñado para investigar más que solo el tiempo anterior a las primeras estrellas. Los investigadores también esperan que sus observaciones arrojen luz sobre la materia oscura y su influencia en la formación de las primeras estructuras cósmicas.

La materia oscura no puede observarse directamente, pero sus efectos gravitacionales son cruciales para explicar cómo las galaxias y otras estructuras grandes se mantienen unidas.

"Esta emisión de hidrógeno después del Big Bang, pero antes de las primeras estrellas, nos permitirá comprender el papel de la materia oscura en el universo temprano, cómo ayudó a agrupar el hidrógeno en las primeras estrellas y galaxias", afirmó el autor principal, Profesor Eloy de Lera Acedo del Cavendish Laboratory de Cambridge.

Para alcanzar este antiguo periodo, CosmoCube observará frecuencias de radio entre 10 y 50 MHz. Estas frecuencias son en gran medida inaccesibles para los telescopios que operan desde la Tierra, lo que convierte a la Luna en un lugar especialmente valioso para el experimento.

"No hay otro lugar donde se pueda obtener el tipo de blindaje necesario para detectar una señal tan débil, mientras se observa todo el espacio", añadió de Lera Acedo, quien también está afiliado al Kavli Institute for Cosmology. "La cara oculta de la Luna es realmente la única opción: resuelve múltiples problemas a la vez, abriendo una ventana clara al universo muy temprano".

Convirtiendo la Luna en un escudo de radio

Después de alcanzar la órbita lunar, CosmoCube desplegará una larga y ligera antena de radio. Cuando la nave espacial se mueva detrás de la Luna, esa antena buscará la señal de hidrógeno de 21 centímetros del universo temprano, mientras que la superficie lunar bloqueará la interferencia de la Tierra.

Detectar una señal tan débil requiere una precisión extrema. Por lo tanto, CosmoCube monitoreará y ajustará continuamente su propia electrónica utilizando un calibrador de "Dicke switched". Este sistema alternará entre observar el cielo y medir varias fuentes de referencia internas.

Este proceso está diseñado para identificar y eliminar pequeños cambios o ruidos electrónicos generados por la propia nave espacial, que de otro modo podrían confundirse con una señal de la historia cósmica profunda.

Los investigadores realizarán un procesamiento adicional una vez que las observaciones regresen a la Tierra. Se utilizarán técnicas estadísticas bayesianas avanzadas para separar la señal deseada de las emisiones de radio de fondo, particularmente aquellas producidas por nuestra propia galaxia.

Las simulaciones por computadora y las mediciones recopiladas durante la misión también permitirán a los investigadores reconstruir cómo responde la antena de CosmoCube a diferentes regiones del cielo. Los científicos podrán corregir las distorsiones restantes que podrían interferir con los resultados.

"Aparte de la ciencia, lo que hace única a nuestra misión es su tamaño: estamos sondeando las partes más tempranas y profundas de las edades oscuras que otros no alcanzan, pero con una plataforma compacta y relativamente de bajo costo", comentó de Lera Acedo.

Un pequeño satélite con una misión ambiciosa

El silencio radioeléctrico disponible detrás de la Luna podría volverse cada vez más valioso. Estados Unidos, India y otros países también planean misiones destinadas a aprovechar el inusualmente silencioso entorno radioeléctrico en la cara oculta lunar.

CosmoCube en sí contiene un radiómetro miniatura altamente integrado que combina tecnologías analógicas y digitales modernas utilizando la llamada tecnología de RF Systems on Chip (RFSoCs).

La plataforma del satélite (SSTL-21) se está desarrollando en el Reino Unido por Surrey Space Technology Limited (SSTL), una empresa especializada en la fabricación de pequeños satélites.

El desarrollo del instrumento ya está en marcha. Se han construido prototipos de laboratorio funcionales, se están realizando pruebas ambientales y los investigadores colaboran con socios de la industria. Los socios académicos del Reino Unido incluyen a la Universidad de Portsmouth y STFC RAL Space, mientras que investigadores de países de la UE, incluyendo Malta, también participan.

El equipo de CosmoCube participó recientemente en la convocatoria de ideas de misiones mini Fast de la ESA, con la misión propuesta teniendo un costo inferior a 50 millones de euros.

"CosmoCube tiene como objetivo realizar una ciencia ambiciosa desde un satélite muy pequeño en un entorno desafiante, y para lograrlo se requieren técnicas de diseño ingeniosas", afirmó el coautor Dr. Will Grainger de STFC RAL Space. "Hemos trabajado con los socios del proyecto para desarrollar modelos representativos del satélite y su carga útil. Estos se han probado en nuestras instalaciones para garantizar que el rendimiento térmico permita que la carga útil funcione y realice las mediciones sensibles requeridas bajo las diferentes condiciones de temperatura que experimentará mientras orbita alrededor de la Luna. En el futuro, esperamos desarrollar aún más la carga útil completa en preparación para una misión completa".

Una nueva ventana a las edades oscuras cósmicas

Si tiene éxito, CosmoCube podría demostrar que los grandes descubrimientos sobre el universo más temprano no requieren necesariamente enormes naves espaciales.

En cambio, un satélite compacto situado en uno de los entornos radioeléctricos más silenciosos disponibles cerca de la Tierra podría proporcionar a los científicos acceso a una era que hasta ahora ha permanecido más allá de la observación directa.

"Esto podría ser una verdadera historia de éxito del Reino Unido: el hardware, el software, la implementación y la tecnología se están desarrollando aquí, y podría ayudarnos a responder una de las preguntas más profundas del universo", concluyó de Lera Acedo.

El trabajo fue apoyado en parte por la Agencia Espacial del Reino Unido, la Kavli Foundation y el Science and Technology Facilities Council (STFC), parte de UK Research and Innovation (UKRI). Eloy de Lera Acedo es miembro del Selwyn College, Cambridge.

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