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La característica de absorción de luz del hidrógeno que rodea las primeras galaxias se puede utilizar como una nueva visión de los misterios de la materia oscura y cómo afectó la evolución del universo durante las edades oscuras cósmicas.
Los científicos han teorizado durante mucho tiempo que la materia oscura, una sustancia misteriosa que constituye aproximadamente el 85% de la materia del universo, desempeñó un papel muy importante en la formación de las primeras galaxias. Pero debido a que la materia oscura no interactúa con la luz (a diferencia de la materia «normal» que forma las estrellas, los planetas y nosotros), su naturaleza sigue siendo desconocida. Eso significa que el papel exacto que desempeñó cuando las galaxias comenzaron a formarse sigue siendo un vacío en los modelos cosmológicos.
Para investigar este rompecabezas, científicos de la Universidad del Noreste de China y el Observatorio Nacional de la Academia de Ciencias de China (NAOC) propusieron una nueva sonda para arrojar luz sobre la naturaleza de la materia oscura y la formación temprana de galaxias.
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Una forma posible de estudiar la materia oscura y las partículas que componen su masa ha sido estudiar las estructuras a pequeña escala del universo. El problema surge al tratar de hacer esto durante el llamado «amanecer cósmico», unos 380 millones de años después del Big Bang, cuando recién nacían las primeras estrellas. Por lo tanto, había pocas fuentes de luz viables para que los astrónomos iluminaran esta era antigua.
Pero en esta era había átomos en forma del elemento químico más ligero, gas hidrógeno. Como todos los elementos, el hidrógeno absorbe luz en longitudes de onda específicas, dejando su huella en la luz que lo atraviesa.
Buscando materia oscura en el bosque cósmico
El gas de hidrógeno atómico dentro y alrededor de las estructuras a pequeña escala que existieron durante el amanecer cósmico, que terminó unos mil millones de años después del Big Bang, produce líneas de absorción características a 21 centímetros en la región de radio del espectro electromagnético. Se les llama colectivamente el bosque de 21 cm, que se ha propuesto durante más de 20 años como una sonda potencial de la temperatura del gas y la materia oscura en los albores del espacio.
Sin embargo, esto sigue siendo solo un concepto teórico, porque la luz de esta época ha viajado alrededor de 13.400 millones de años para llegar a nosotros. En el camino, perdió energía y se estiró en longitud de onda y bajó en frecuencia, moviéndose hacia la región roja del espectro electromagnético y más allá hacia el infrarrojo.
Cuanto más lejos está la fuente de luz, más extremo es este «corrimiento al rojo». En ausencia de la luz de las estrellas, usar el bosque de 21 cm como sonda de materia oscura requiere que las fuentes de radio, como los cuásares, sean visibles en el amanecer cósmico y, por lo tanto, con un alto desplazamiento al rojo. Pero a esta edad, las señales de tales fuentes de radio son débiles y, con un cambio de fondo alto, estas fuentes son difíciles de identificar.
Sin embargo, esta situación puede cambiar. No solo se han descubierto recientemente una serie de cuásares de radio alto con alto desplazamiento al rojo, sino que el radiotelescopio más grande del mundo, el Square Kilometer Array (SKA), comenzó a construirse en Australia y Sudáfrica en diciembre de 2022 y pronto abrirá su ojo de radio sensible. . sobre el universo Esto sugiere que pronto será posible el descubrimiento y uso del bosque de 21 cm.
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El equipo detrás del nuevo estudio cree que medir la distribución de energía del bosque de 21 cm, o su «espectro de potencia», lo convertiría en una sonda razonable para medir simultáneamente las propiedades de la materia oscura y la historia térmica del universo.
Esto podría ayudar a los investigadores a distinguir entre un modelo de materia oscura fría del universo, con partículas masivas de materia oscura que se mueven lentamente en relación con la velocidad de la luz, y un modelo de materia oscura caliente, con partículas de materia oscura más ligeras y que se mueven más rápido.
«Al medir el espectro de potencia unidimensional del bosque de 21 cm, no solo podemos hacer realidad la sonda al aumentar la sensibilidad, sino también distinguir entre los efectos de los modelos de materia oscura caliente y el proceso de calentamiento temprano». Investigador del Observatorio Nacional Yidong Xu, autor correspondiente del nuevo estudio. «Seremos capaces de matar dos pájaros de un tiro».
Siempre que el calentamiento cósmico durante el amanecer cósmico no fuera demasiado extremo, las capacidades de baja frecuencia de la Fase 1 del SKA deberían significar que los científicos pueden limitar la masa de partículas de materia oscura y la temperatura del gas. Si el calentamiento cósmico fuera demasiado grande, la segunda etapa del SKA vería expandirse el instrumento, lo que llevaría al uso de múltiples fuentes de radio de fondo que proporcionan las mismas limitaciones.
Dado que el uso potencial del bosque de 21 cm como sonda de materia oscura está vinculado a las observaciones de fuentes de radio de fondo de alto corrimiento al rojo, el siguiente paso en esta investigación es encontrar más fuentes de radio luminosas en el amanecer cósmico, incluido más ruido de radio. quásares y resplandores posteriores de estallidos de rayos gamma.
Luego, estas fuentes se pueden rastrear después de que SKA comience a observar el universo en 2027, lo que permitirá a los astrónomos arrojar más luz sobre los misterios tanto de la materia oscura como de las primeras galaxias.
La investigación del equipo aparece en la edición del 6 de julio de la revista Nature Astronomy.
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