El radiotelescopio CHIME logró detectar directamente el débil brillo del hidrógeno emitido cuando el universo tenía apenas unos 5.000 millones de años. La señal puede abrir una nueva forma de estudiar la expansión del cosmos y uno de sus mayores misterios: la energía oscura.
En las montañas de Columbia Británica existe un radiotelescopio que no se parece demasiado a la imagen tradicional que tenemos de un observatorio. No posee una enorme antena parabólica capaz de girar hacia las estrellas. CHIME está formado por cuatro grandes cilindros metálicos inmóviles que observan el cielo mientras la rotación de la Tierra hace pasar el universo sobre ellos. Desde allí, científicos canadienses acaban de conseguir algo para lo que el instrumento fue construido hace años: escuchar directamente una señal extraordinariamente débil procedente del hidrógeno del cosmos lejano.
He Canadian Hydrogen Intensity Mapping Experiment, conocido como CHIME, consiguió detectar utilizando únicamente sus propios datos la emisión colectiva del hidrógeno neutro existente cuando el universo tenía aproximadamente 5.000 millones de años. El resultado permite observar la distribución de materia en una época situada miles de millones de años en nuestro pasado y demuestra que una técnica largamente perseguida por los cosmólogos puede funcionar sin depender de mapas de galaxias realizados por otros telescopios.
No se trata de haber encontrado una galaxia nueva ni de haber fotografiado un objeto desconocido. CHIME consiguió algo posiblemente más ambicioso: detectar el tenue murmullo producido por cantidades inmensas de hidrógeno repartidas por una enorme región del universo. Esa señal es tan débil que permanece enterrada bajo emisiones astronómicas, interferencias producidas por nuestra propia tecnología y ruido generado por el instrumento. Separarla de todo lo demás requirió años de trabajo.
EL ÁTOMO QUE LLENA EL COSMOS
El hidrógeno es el elemento más abundante del universo y también la materia prima a partir de la cual se forman las estrellas. Cuando se encuentra en estado neutro puede emitir una señal de radio característica conocida como la línea de 21 centímetros. Para los astrónomos esa débil emisión funciona como una especie de marcador invisible que permite seguir dónde se encuentra la materia aunque no podamos observar individualmente cada galaxia que la contiene.
La idea resulta poderosa porque, en lugar de intentar identificar millones de objetos uno por uno, es posible medir el brillo combinado del hidrógeno existente en enormes volúmenes del espacio. Si sabemos cómo está distribuido ese gas en distintas épocas, podemos reconstruir cómo fue cambiando la estructura del universo y medir cómo se expandió a lo largo de miles de millones de años.
Eso coloca a CHIME frente a uno de los problemas más profundos de la física moderna. Sabemos que el universo se expande y que esa expansión parece acelerarse, pero todavía desconocemos qué provoca exactamente esa aceleración. Al fenómeno responsable le hemos dado un nombre —energía oscura—, aunque ponerle un nombre no significa haber comprendido qué es.
UNA SEÑAL CASI ENTERRADA
CHIME ya había detectado anteriormente hidrógeno cosmológico, pero necesitaba comparar sus observaciones con catálogos de galaxias obtenidos por otros proyectos. Esta vez consiguió extraer la señal directamente de sus propios datos. Esa independencia es precisamente lo que convierte el resultado en un paso importante para el proyecto.
Los investigadores utilizaron 94 noches de observaciones realizadas en 2019 y desarrollaron nuevas técnicas para eliminar interferencias de radiofrecuencia, emisiones astronómicas mucho más intensas y efectos producidos por el propio instrumento. El análisis científico reportó una detección estadística de 12,5 sigma, una señal extremadamente sólida dentro de los criterios utilizados habitualmente en física y astronomía.
Pero incluso después de encontrarla, los científicos no celebraron inmediatamente. Pasaron más de un año intentando demostrar que podían estar equivocados. Revisaron el procesamiento, buscaron posibles errores instrumentales y sometieron la señal a diferentes pruebas. Continuaba allí. Eso era precisamente lo que necesitaban ver.
UNA MÁQUINA CANADIENSE
CHIME se encuentra cerca de Penticton, en Columbia Británica, dentro del Dominion Radio Astrophysical Observatory del National Research Council of Canada. En el proyecto participan investigadores de la University of British Columbia, McGill University, University of Toronto y otras instituciones de Canadá y Estados Unidos.
El telescopio observa prácticamente todo el cielo del hemisferio norte cada día. Su diseño permite recoger cantidades gigantescas de información sin necesidad de mover físicamente enormes antenas y, aunque en los últimos años se ha hecho especialmente conocido por sus descubrimientos de misteriosas ráfagas rápidas de radio, su misión original tenía otro objetivo: cartografiar el hidrógeno cósmico para estudiar la expansión del universo. Ahora ha demostrado que puede hacerlo.
El logro tiene además una dimensión económica y científica importante. Los grandes estudios ópticos de galaxias requieren telescopios extremadamente sofisticados, campañas prolongadas y presupuestos enormes. El mapeo de intensidad del hidrógeno puede estudiar volúmenes gigantescos del cosmos sin necesidad de resolver individualmente cada galaxia, ofreciendo una vía complementaria para explorar la estructura del universo.
MIRAR CUANDO EL UNIVERSO ERA MÁS JOVEN
La señal detectada corresponde aproximadamente a un desplazamiento al rojo cercano a 1. Eso significa que estamos observando una época en la que el universo tenía alrededor de 5.000 a 6.000 millones de años, mucho antes de la formación del Sistema Solar. La luz visible y las ondas de radio que recibimos actualmente han pasado miles de millones de años viajando hasta nosotros.
El análisis complementario de los investigadores indica que aproximadamente un dos por ciento del hidrógeno existente en aquel momento se encontraba en forma atómica neutra, un resultado compatible de manera general con otras mediciones. Pero la verdadera importancia está en haber demostrado que CHIME puede medir directamente cómo se distribuye ese hidrógeno en escalas cosmológicas.
Ese mapa puede convertirse en una herramienta para seguir la historia de la expansión cósmica y comprobar si nuestras teorías sobre la energía oscura describen correctamente lo que ocurrió. Si las mediciones futuras revelan desviaciones inesperadas, podrían obligarnos a modificar parte de nuestra descripción actual del universo.
SIETE AÑOS ESPERANDO SER ANALIZADOS
Hay otro detalle que hace especialmente interesante este resultado: los científicos utilizaron solamente una pequeña fracción de toda la información disponible. CHIME lleva acumulando observaciones durante casi siete años y buena parte de esos datos todavía puede ser explotada con las nuevas técnicas de análisis desarrolladas para este trabajo.
El equipo pretende extender las mediciones hacia épocas todavía anteriores, cuando el universo tenía aproximadamente 3.000 millones de años. Cuanto más lejos consigan mirar, mayor será el intervalo de la historia cósmica que podrán reconstruir y más precisa podrá hacerse la medición de cómo cambió su expansión.
Lo que comenzó con 94 noches de observación puede terminar convirtiéndose en un mapa tridimensional gigantesco de una parte considerable del universo observable.
ESCUCHAR LO QUE NO PODEMOS VER
La astronomía nació mirando la luz. Durante siglos aprendimos sobre el cielo observando puntos brillantes, planetas, estrellas, nebulosas y galaxias. Después descubrimos que el universo nos hablaba también mediante ondas de radio, rayos X, radiación infrarroja, rayos gamma y ondas gravitacionales. Cada nueva forma de escucharlo reveló una realidad que nuestros ojos jamás habrían podido descubrir.
CHIME acaba de demostrar que también podemos estudiar el cosmos utilizando algo mucho más discreto: el brillo combinado de átomos de hidrógeno demasiado débiles y demasiado distantes para llamar nuestra atención individualmente. Miles de millones de años después de que aquellas ondas comenzaran su viaje, cuatro estructuras metálicas inmóviles levantadas en una montaña canadiense consiguieron separarlas del ruido y reconocerlas.
El universo lleva enviando esa señal desde mucho antes de que existiera la Tierra. Nosotros acabamos de aprender a escucharla.
