Desde que en los años 20 Friedmann y Lemaître propusieran los primeros modelos de universo en expansión (utilizando las ecuaciones de la Relativiad General) y Edwin Hubble obtuviera las primeras pruebas de ello, nuestro conocimiento sobre el universo ha avanzado muchísimo. Aunque ha habido misiones muy exitosas como Planck y el telescopio Hubble no teníamos una fecha exacta para la aparición de las primeras estrellas. Además, observarlas directamente con la tecnología actual, está fuera de nuestro alcance. El objeto más distante conocido en la actualidad es la galaxia GN-z11 (tiene 109 masas solares), un desplazamiento al rojo de z=11.09 y una edad de 13.400 millones de años (400 millones de años después del Big Bang).

Ahora se publica en Nature “An absorption profile centred at 78 megahertz in the sky-averaged spectrum“. ¿Qué es lo impactante de este trabajo y qué están detectando? Pues teniendo en cuenta el modelo cosmológico actual, al principio el universo era muy pequeño y extremadamente caliente, con el tiempo se fue expandiendo y enfriando hasta que llegó un punto en el que la temperatura bajó lo suficiente para que se formaran los primeros átomos de hidrógeno, esto ocurrió cuando el universo tenía 380.000 años. Estos primeros átomos fueron agrupándose en regiones de mayor densidad que luego darían lugar a la formación de las primeras estrellas.  Aquí tenemos un esquema con los momentos más importantes de la historia del universo:

Esquema de la expansión del universo.

Una vez se han formado las primeras estrellas, estas tendrán a su alrededor un montón de átomos de hidrógeno en estado neutro (el 92% de los átomos del universo eran átomos de H). La luz de estas estrellas recién formadas arrancará muchos de los electrones de estos átomos, sin embargo a otros solo los llevará a un nivel de mayor energía. Como sabemos, un electrón en un nivel excitado decaerá hacia el nivel fundamental, pero puede que el espín de este electrón esté alineado con el del núcleo. Aquí tenemos un dibujo de la situación:

Esquema de la transición de 21cm del hidrógeno.

Cuando están alineados como en la parte superior del dibujo, ele electrón todavía puede decaer a una configuración de menor energía, liberando un fotón con una longitud de onda de 21cm, como vemos en la parte inferior del dibujo. Pero aquí está la clave del asunto, esta transición es muy poco probable y sólo la podemos observar esperando mucho tiempo o teniendo grandes cantidades de hidrógeno, como en las grandes nubes de gas interestelar. Sólo nos falta tener en cuneta un detalle más: la radiación de fondo de microondas, que podrá ser absorbida por estos átomos y esto es lo que se ha observado:

Temperatura del hidrógeno medida con la lineas de 21 cm frente al desplazamiento al rojo.

A partir de estos datos, podemos extraer dos cosas muy interesantes. Primero, que las estrellas aparecieron 180 millones de años tras el Big Bang (z=20) y segundo, que empezaron a extinguirse y formar agujeros negros, superonovas y otros objetos que emitieron rayos X 270 millones de años después del Big Bang (z=15). Pero el dato más importante, es que la absorción es el doble de lo predicho por nuestros modelos, esto que puede parecer un detalle sin importancia podría arrojar luz sobre uno de los problemas más importantes de la física actual, la materia oscura. Una de las explicaciones para este efecto sería que el gas habría perdido energía cediéndola a la materia oscura. Los detalles se publican también en nature: “Possible interaction between baryons and dark-matter particles revealed by the first stars“, donde se detalla que implicaciones tendría este descubrimiento y que condiciones pondría sobre la masa de una hipotética partícula de materia oscura. Como siempre hacemos en ciencia, habrá que esperar a futuras observaciones, refinar los modelos y revisar los detalles. Pero de confirmarse esta noticia con futuros experimentos: ¡esto podría ser toda una revolución que nos indique dónde empezar a buscar la materia oscura!