Esclareciendo la Era Oscura con el telescopio espacial DAPPER

• Título del artículo original: Global 21-cm Cosmology from the Farside of the Moon.
• Autores: Jack Burns, Stuart Bale, Richard Bradley, Z. Ahmed, S.W. Allen, J. Bowman, S. Furlanetto, R. MacDowall, J. Mirocha, B. Nhan, M. Pivovaroff, M. Pulupa, D. Rapetti, A. Slosar, K. Tauscher.
• Institución del primer autor: Departamento de Astrofísica y Ciencias Planetarias, Universidad de Colorado Boulder, EE.UU.
• Estado de la publicación: Acceso abierto en arXiv.

La era perdida en la historia del Universo.

La ciencia que estudia la historia del Universo, su origen, composición, y eventual destino, se llama cosmología. Esta noble disciplina, otrora más religión o mitología que ciencia, es hoy en día una ciencia exacta. Está equipada con el modelo ΛCDM, así llamado por los dos componentes que dominan el Universo: la energía oscura (denotada Λ, o Lambda) y la materia oscura fría (CDM por sus siglas en inglés). El modelo ha sido extraordinariamente exitoso, logrando explicar observaciones y predecir propiedades del Universo con precisión.

Con la construcción de telescopios más grandes y potentes, astrónomos han observado objetos cada vez más lejanos, y mientras más lejanos, más antiguos. Si uno observa un objeto a 7 mil millones de años luz de distancia, está viendo ese objeto como era 7 mil millones de años en el pasado. En aquellos tiempos, el Universo tenía solo la mitad de la edad de hoy, aproximadamente. En otras palabras, el Universo lejano es literalmente una imagen preservada del Universo cuando era joven. Aprovechando esto, podemos estudiar la historia del Universo con observaciones de objetos increíblemente lejanos. Las barreras de nuestro conocimiento se amplían cada día, pero hay una época de esta historia que, hasta ahora, se ha mantenido completamente inescrutable.

La Era Oscura.

Hay una época que ningún telescopio ha sido capaz de observar, llamada “Era Oscura“. Este período ocurrió entre la emisión de la radiación de fondo cósmico (CMB por sus siglas en inglés), la radiación más antigua del Universo, y el Amanecer Cósmico, cuando se forman las primeras estrellas y galaxias. He aquí el problema, y es por esto que la Era Oscura permanece insondable: ¡en ese momento no existía ninguna estrella o galaxia!

¿Y entonces como es posible observarla? ¿Que acaso no acabo de decir que no hay estrellas ni galaxias? La respuesta es quizás inesperada, pero prometedora: la transición hiperfina del Hidrógeno.

El átomo de Hidrógeno es muy simple: no es más que un protón y un electrón. Este sencillo átomo produce radiación (luz) cuando pasa de un estado excitado a otro de menor energía. El espectro energético del átomo de Hidrógeno es conocido con precisión: las series de Lyman y Balmer son frecuentemente usadas como ejercicios universitarios hasta el día de hoy. Sin embargo, en la Era Oscura, las temperaturas eran tan bajas que el Hidrógeno del Universo estaba casi completamente en su estado base, incapaz de generar radiación por el método recién descrito. La clave es una transición menos energética que puede ocurrir incluso si el Hidrógeno está en su estado base. Ésta ocurre cuando el espín del electrón del Hidrógeno cambia de orientación, y se alinea con el espín del protón. Es una transicion hiperfina: la diferencia de energía entre estos dos estados es ínfima, apenas 5.87 microelectronvoltios. Esta pequeña cantidad de energía corresponde a radiación con una longitud de onda de 21 cm y frequencia de 1420 MHz, aproximadamente en el espectro de microondas.

Esta transición es tan minúscula como es rara: en promedio un átomo de Hidrógeno dura 10 millones de años en el estado “excitado”. Esto no es ninguna coincidencia: es debido al Principio de Incertidumbre de Heisenberg.

Como veníamos diciendo, durante la Era Oscura no existían estrellas ni galaxias aún. El Universo era frío, eléctricamente neutro, y estaba en su estado base. Todo el Hidrógeno del Universo, el elemento químico más común, estaba liberando lentamente esta radiación de microondas. Debido a la expansión del Universo y al efecto Doppler, ésta señal de microondas debería ser observable como ondas de radio aquí en la Tierra. Si pudiéramos observarla, lograríamos finalmente develar la última época no observada de la historia del Universo.

El telescopio espacial DAPPER.

Hay varios motivos por que aún no hemos observado la radiación de la Era Oscura todavía. Entre ellos están las variaciones temporales de temperatura y humedad en la atmósfera, la presencia de la ionósfera, y la existencia de poderosas señales radiales militares y civiles. Es por eso que los expertos están apostando por un telescopio espacial en órbita alrededor de la Luna llamado DAPPER (Dark Ages Polarimetry PathfindER, o Explorador polarimétrico de la Era Oscura).

DAPPER es un radiotelescopio espacial aún en la etapa de propuesta. De ser construido, orbitará la Luna, desde donde podrá hacer observaciones con extremo detalle en la ausencia de los problemas mencionados anteriormente.

Las mediciones se tomarían desde el lado oscuro de la Luna durante la noche lunar, que dura 2 semanas, la mitad del ciclo lunar de 28 días. Cabe mencionar que el “lado oscuro de la Luna” tiene día y noche. De hecho el nombre correcto es “lado lejano”, ya que no está en la oscuridad más ni menos que el lado cercano. La única diferencia es que nunca mira hacia la Tierra.

Durante esos 14 días de oscuridad, las condiciones serían absolutamente estables, sin atmósfera, sin ionósfera, y protegido de las señales de radio de la Tierra.

¿Qué esperamos descubrir con DAPPER?

Ya que no habían estrellas ni galaxias en aquellos tiempos, las propiedades estadísticas del Universo durante la Era Oscura se pueden predecir con el modelo ΛCDM. Cualquier desviación de la teoría sería un indicio de fenómenos o propiedades ajenas al modelo. Ejemplos de interés incluyen aniquilación de materia oscura, materia oscura caliente o difusa. También es importante determinar con precisión cúando nacieron las primeras estrellas.

El telescopio espacial DAPPER es prometedor, sobre todo para astrónomos y estudiantes jóvenes que serán profesionales cuando los datos de DAPPER lleguen a ser públicos. Vivimos en tiempos muy excitantes.