Divulgación Detección de la luz de las primeras estrellas en el hidrógeno del Universo en z=17

[Alriga]

Unos astrónomos de la Universidad de Arizona con una antena instalada en Australia, han conseguido observar por primera vez la huella de la luz que las primeras estrellas que se formaron dejaron en el hidrógeno del Universo, y confirmar experimentalmente que ello aconteció a $z \approx 17$ es decir, cuando el universo tenía solo unos 200 millones de años. Fueron supergigantes azules de vida corta que se extinguieron pronto, (estrellas de la población III)

También han medido que la temperatura de ese hidrógeno resulta ser la mitad de la prevista por la teoría, y de ello deducen que la materia oscura pudo interaccionar de alguna manera desconocida con el gas y enfriarlo.

Lo he leído en La Vanguardia Detectadas las primeras estrellas del Universo y en Nature A surprising chill before the cosmic dawn

El paper original: An absorption profile centred at 78 megahertz in the sky-averaged spectrum

Según entiendo lo muy relevante es la siguiente figura:



El eje horizontal de la figura dice que entre unos 180 y unos 260 millones de años después del big-bang la luz de las primeras estrellas dejó su marca en el hidrógeno gaseoso que poblaba el universo, lo que mostraría de forma experimental y sin lugar a dudas que esa es la fecha en la que nacieron las primeras estrellas.

La medida de la amplitud de la señal en el eje vertical dice que la temperatura del gas es la mitad de la esperada teóricamente, pero de momento yo permanecería escéptico hasta que se repliquen las medidas por otros observatorios. Si finalmente en posteriores observaciones se confirmase que fue la materia oscura la que enfrió el gas, ello sería MUY esperanzador para la detección de la materia oscura, pues revelaría que después de todo hay alguna vía de interacción (además de la gravitatoria) entre la materia oscura y la materia ordinaria: Possible interaction between baryons and dark-matter particles revealed by the first stars

Lo que es muy curioso es el dispositivo aparentemente tan sencillo que han utilizado para la detección, nada de grandes radiotelescopios, la antena que han utilizado se puede ver en la página 10 del paper o en este vídeo, (se pueden activar subtítulos en inglés):

Este estudio, al proporcionar evidencia experimental de la existencia de luz de estrellas solo 200 millones de años después del big-bang rompe el record del telescopio espacial Hubble, que había observado las estrellas más antiguas conocidas hasta ahora en la galaxia GN-z11, ubicada en la Osa Mayor y fechada 410 millones de años después del big-bang

Noticia del descubrimiento de la galaxia GN-z11 hace 2 años: Hubble Team Breaks Cosmic Distance Record

ACTUALIZADO: Ahora (16 h) hace escasos minutos ha publicado un post La mula Francis, abunda en lo mismo que decíamos nosotros antes: "Afirmaciones extraordinarias requieren evidencias extraordinarias, incluso si se publican en Nature" ... "Hay que ser muy cauto con esta observación" ... " la cautela es la única opción razonable" ... "sin una confirmación independiente, este resultado debe ser tomado con mucho escepticismo y precaución" ... Posible efecto de la materia oscura sobre la formación de las primeras estrellas

Saludos.

[Richard R Richard]

Re: Detección de la luz de las primeras estrellas en el hidrógeno del Universo en z=17

Hola , anoche antes de ir a la cama ,habia visto la noticia, pero como había que buscar fuentes en ingles ,para postear algo decente y preguntar más que para informar, me dije... si el tema es importante mañana me lo resume Alriga!!!!!!!Je je y dicho y hecho ...un fenómeno!!!!!
Aver cuando la mula te cita y dice que lo posteaste antes....Saludos y gracias como siempre por la información de buena fuente.

[Alriga]

Re: Detección de la luz de las primeras estrellas en el hidrógeno del Universo en z=17

... Saludos y gracias como siempre por la información de buena fuente ...

Gracias por tus gracias, te aseguro que me animan, a veces creo hilos que me parecen muy interesantes y que me han costado bastante, y pasan desapercibidos. Y no es tan fácil ni corto en tiempo el leer las fuentes e intentar entresacar, interpretar y traducir lo más relevante, para que los foreros de La web de Física se informen de lo esencial en pocos minutos, pero rigurosamente.
Francisco Villatoro (La mula Francis) es un monstruo de la divulgación que merece la máxima admiración. Varias veces he puesto un comentario en alguno de sus posts que le ha permitido enterarse de una nueva noticia y después él ha creado un post sobre el tema, aunque reconozco que muuuchas más veces sucede al revés, que yo me entero de algo relevante leyendo uno de sus posts.

... A ver cuando la mula te cita ...

Pues una vez lo hizo, lo que considero un honor, posteé aquí en La web de Física este hilo
http://forum.lawebdefisica.com/threa...e-gravitatoria
Y después avisé a Francis en un comentario en uno de los hilos de su blog. Pocas horas más tarde Francis creó un post sobre el tema en el que decía "...Una gran noticia ... Ya lo había visto en arXiv, pero lo dejé en borradores. Lo he rescatado gracias a Albert, lector de este blog ..." Supernova de Refsdal: la primera supernova predicha

Saludos.

[Jaime Rudas]

Re: Detección de la luz de las primeras estrellas en el hidrógeno del Universo en z=17

[...] a veces creo hilos que me parecen muy interesantes y que me han costado bastante, y pasan desapercibidos.

Te aseguro que no pasan desapercibidos: el problema es, a mi modo de ver, de tus ingratos lectores (yo, en primera línea) que a veces ni nos dignamos a levantar el dedo para oprimir el botón de merecidísimas gracias, y, ni se diga, para poner un pequeño comentario.

Muchas, muchas gracias por todas esas interesantes noticias que nos traes.

[Alriga]

Re: Detección de la luz de las primeras estrellas en el hidrógeno del Universo en z=17

La antena instalada en Australia que ha permitido la detección se llama EDGES y tiene una página propia alojada en el MIT con 273 documentos técnicos sobre su funcionamiento elaborados entre 2005 y 2018 que pueden ser muy interesantes para los telecos: EDGES Memo Series

El ingeniero y astrofísico mejicano JM Jáuregui forma parte del equipo de trabajo de SCI-HI y PRIZM, dos experimentos rivales de EDGES que buscan la misma señal. Hoy he visto un resumen de José Miguel Jáuregui del proyecto EDGES en el que resalta lo difícil que es la detección debido al ruido del ambiente generado por las emisoras de FM, que está muy bien: Explicaciones sobre EDGES y la detección de la señal cosmológica en 78 MHz De los párrafos finales deduzco que JM Jáuregui no alberga dudas de que el experimento rival ha conseguido realmente observar el fenómeno y no un "artefacto"

Este resumen de JM Jáuregui está comentado en un nuevo post de La mula Francis: José Miguel Jáuregui: EDGES, la señal cosmológica a 78 MHz y el “amanecer cósmico”

También en el desierto de Karoo en Sudáfrica está instalado el instrumento HERA (Hydrogen Epoch of Reionisation Array) que está intentando replicar el resultado de EDGES. Permaneceremos atentos.

Sobre las estrellas más antiguas del Universo, cuya presencia ha detectado EDGES: Estrellas de la población III

Saludos.

[Richard R Richard]

Re: Detección de la luz de las primeras estrellas en el hidrógeno del Universo en z=17

Hola,, quisiera ver si me pueden ayudar a interpretar bien esta imagen

la temperatura del hidrógeno permanecía estable según lo que el modelo de expansión predecía, luego esa brillo baja porque el hidrógeno ha migrado hacia el interior de las primeras estrellas...es esto correcto?

si es así por que la curva sube de nuevo llegando a la actualidad?, no debería haberse mantenido en ese nivel hasta nuestros días...

Sobre que la temperatura calculada por el brillo es la mitad de lo esperado, creen que se absorbio mas hidrogeno mas de la cuenta, o en realidad es que el brillo detectado es el doble entonces en el proceso formación de las estrellas se absorbio materia oscura, en vez del hidrógeno disponible, ??? como es ?

Resulta curioso, que si el principal problema de la antena es el ruido de las estaciones de FM, la antena no se haya colocado en la Antártida, donde el ruido es casi nulo, solo hay que filtrar los rebotes de AM, quiza se deba al hielo y la logistica, ya que se tubo acceso a poco presupuesto.

[Alriga]

La huella de las primeras estrellas del Universo

... la temperatura del hidrógeno permanecía estable según lo que el modelo de expansión predecía, luego esa brillo baja porque el hidrógeno ha migrado hacia el interior de las primeras estrellas...es esto correcto? ...

No, resumo grosso-modo lo que yo creo medio entender de todo este enrevesado tema.

* En el Universo hay mucho gas hidrógeno. Ese hidrógeno siempre está emitiendo radiación de 21 cm=1420 MHz debido a la transición hiperfina del estado fundamental del hidrógeno atómico neutro (HI) asociada a dos niveles de energía cercanos: uno con el espín del electrón paralelo al del protón y otro antiparalelo.

* Esa radiación de la transición hiperfina nos llega de todas partes del Universo y de todas las épocas, pero claro, con longitud de onda alargada=frecuencia acortada debido a la expansión del universo según la época de la que proceda, frecuencia que se calcula en función del desplazamiento al rojo z mediante la conocida expresión:

f = 1420 / (1+z)

* Se tiene un modelo de cuan intensa debe ser la señal recibida en cada frecuencia, (=en cada edad del universo primitivo) en función de cómo se va enfriando el hidrógeno del universo después del desacoplamiento de los fotones que tuvo lugar a z=1090 Esa intensidad esperada según modelo es el “cero” de la gráfica.

* La intensidad medida por EDGES coincide con la esperada para f > 90 MHz y para f < 60 MHz pero ¡tachán! entre medio de esas dos frecuencias la intensidad medida es diferente de la esperada. A esas dos frecuencias le corresponden tiempos cósmicos entre tc=160 y tc=280 millones de años ¡tenemos dos fechas significativas! ¿Qué sucedió entre esas dos fechas cósmicas que alteró la intensidad esperada de la radiación de fondo de 21 cm?

z	tiempo cósmico (Maños)	frecuencia (MHz)	Variación respecto del valor esperado (TEORIA)	Variación respecto del valor esperado (MEDIDAS)
12	368	109	0,0	0,0
13	329	101	0,0	0,0
14	297	95	0,0	0,0
15	269	89	-0,3	-0,5
16	246	84	-0,5	-0,9
17	225	79	-0,5	-1,0
18	208	75	-0,5	-1,0
19	192	71	-0,5	-0,9
20	179	68	-0,3	-0,5
21	167	65	-0,1	-0,2
22	156	62	0,0	0,0
23	146	59	0,0	0,0
24	137	57	0,0	0,0
25	129	55	0,0	0,0
26	120	52	0,0	0,0

* La anomalía es compatible con la aparición de las primeras estrellas del Universo, (Población III): la luz de esas primeras estrellas ioniza una parte de los átomos de hidrógeno cósmico y altera el ratio de emisión de 21 cm debida a la transición espines paralelos/espines antiparalelos del protón y el electrón del hidrógeno atómico.

* A partir de la densidad y temperatura de la época y de que en ella solo había hidrógeno y algo de helio, los modelos y las simulaciones dicen que si se formaban estrellas, estas debería ser Supergigantes Azules de corta vida, apenas unas decenas de millones de años. Por eso la anomalía se inicia en tc=160 Maños y se extingue en tc=280 Maños: la mayoría de las estrellas de la población III han explotado como supernovas y han desaparecido sembrado el universo de metales, (recordad que los astrofísicos llaman metales a todos los elementos que no son ni el H ni el He), esos metales, (y una temperatura y densidad diferentes) cambian las condiciones iniciales de formación de la siguiente generación de estrellas, (Población II) que ya no serán todas necesariamente supergigantes azules de corta vida y podrán formar las primeras galaxias.

Por eso opino, y eso es opinión mía, que el grupo EDGES probablemente sí ha detectado una anomalía en 90>f>60 MHz que fecha las primeras estrellas del Universo. Pero que la magnitud medida del valor de amplitud de la anomalía sea correcto y que por lo tanto la explicación para justificar esa magnitud precise de interacción de enfriamiento por parte de la materia oscura, eso creo que es prematuro y que deberá ser ratificado o refutado en posteriores experimentos.

Para ayudar a entender lo que explico he elaborado la tabla adjunta, en los que z, tc y f son correctos y me he inventado los valores de la variación respecto del valor esperado para poder dibujar la gráfica cualitativa adjunta en la que en el eje horizontal hay el tc en Maños. Resumiendo:

• Mientras no aparecen estrellas, la variación del valor esperado es cero, (si no hubiese aparición de estrellas este gráfico sería CERO siempre)
• EDGES detecta la aparición de estrellas en forma de desviación respecto del valor esperado entre tc=160 Maños y tc=280 Maños y mide la magnitud dada por la línea roja
• Pero la teoría dice que la aparición de estrellas debería dar una amplitud como la de la línea azul, que es prácticamente la mitad. Y aquí aparece una explicación especulativa, de que esa diferencia de magnitud está provocada por interacciones de enfriamiento con la materia oscura.

Los detalles de como se calculan los valores esperados del espectro de potencia de la línea de 21 cm, detalles que no tengo intención de mirar, creo que están aquí: Charting the Parameter Space of the 21-cm Power Spectrum

No he encontrado una buena explicación a nivel divulgación de este descubrimiento con este nivel de detalle ni en español ni en inglés, por lo que todo lo escrito aquí (y por lo tanto todos los posibles errores), son de cosecha propia.

Saludos.

[carroza]

Re: Detección de la luz de las primeras estrellas en el hidrógeno del Universo en z=17

Hola.

Completando lo que dice Alriga, parece que el argumento clave es la temperatura a la que estaba el gas interestelar de hidrógeno. Esa temperatura determina cuales son las poblaciones de los estados hiperfinos de hidrógeno (por el tema de que $P \propto exp(-E/kT)$). Si esa temperatura es la misma que la de la radiación de fondo, entonces se produciría la absorción de la linea de 21 cm en la magnitud predicha por los modelos, considerando la formación de estrellas en el periodo dado. Esta absorción predicha no está en buen acuerdo con las medidas.

Sin embargo, si, por alguna razón, la temperatura del Hidrógeno interestelar fuera más baja que la de la radiación de fondo, entonces el gas interestelar puede absorber con más eficiencia la linea de 21 cm. Esto es una posible explicación de la absorción más alta de la cuenta que se observa.

Lo que parece que es un salto argumental bastante grande es considerar que ese hipotético enfriamiento se deba a la interacción del hidrógeno con materia oscura. Esto habrá de verificarse con otros estudios.

Saludos

[Alriga]

Re: Detección de la luz de las primeras estrellas en el hidrógeno del Universo en z=17

... opino, y eso es opinión mía, que el grupo EDGES probablemente sí ha detectado una anomalía en 90>f>60 MHz que fecha las primeras estrellas del Universo. Pero que la magnitud medida del valor de amplitud de la anomalía sea correcto y que por lo tanto la explicación para justificar esa magnitud precise de interacción de enfriamiento por parte de la materia oscura, eso creo que es prematuro y que deberá ser ratificado o refutado en posteriores experimentos ...

Bueno, mucha gente no puede esperar a la ratificación de las observaciones por equipos independientes y ya comienza a especular explicaciones para la supuesta magnitud anómala observada por EDGES. Una de ellas es la de Julian Muñoz y Abraham Loeb Insights on Dark Matter from Hydrogen during Cosmic Dawn y 21-cm Fluctuations from Charged Dark Matter

Aquí se aventura que si el 1% de la materia oscura estuviese constituida por partículas exóticas que tuviesen carga eléctrica entre una diezmillonésima y una milmillonésima de la carga del electrón, ello permitiría explicar la magnitud anómala observada en la línea de 21 cm a z=17

Francis lo explica brevemente en su blog: La señal del amanecer cósmico de EDGES se explica si el 1% de la materia oscura son partículas minicargadas

Saludos.

[Alriga]

Simulación del Amanecer Cósmico mediante el programa ENZO

Se acaba de publicar un estudio de 48 páginas del “Amanecer cósmico”. El Amanecer Cósmico comienza con la formación de la primera estrella del universo y termina cerca de mil millones de años después, cuando el medio intergaláctico ha sido ionizado por la luz ultravioleta de las primeras galaxias. El estudio está basado en un programa de simulación:

Revisamos dos décadas de progreso usando el código de cosmología hidrodinámica Enzo para simular el Amanecer Cósmico, un período de aproximadamente mil millones de años que comienza con la formación de las primeras estrellas en el universo y termina con la reionización cósmica.
Utilizando simulaciones de tamaño y complejidad crecientes, trabajando con longitudes y masas a escala para reducir los corrimientos al rojo, se construye una narrativa conectada que cubre toda la época. En la primera parte del trabajo, nos basamos en los resultados que nosotros y nuestros colaboradores hemos conseguido utilizando el código de refinamiento de malla adaptativa cosmológica de Enzo. Los temas incluyen la formación de estrellas de la Población III, la transición a la formación de estrellas de la Población II, el enriquecimiento químico, el ensamblaje de las primeras galaxias, sus estadísticas de las galaxias de alto corrimiento hacia el rojo, y su papel en la reionización.

En la segunda parte del documento destacamos las dificultades físicas que requerirá abordar simulaciones nuevas y más complejas, a partir de un estudio amplio de la literatura. Discutimos la sana interacción entre las simulaciones numéricas autoconsistentes y los enfoques analíticos y semi-analíticos.
Por último, discutimos los avances técnicos en hardware y software que permitirán llevar a cabo una nueva clase de simulaciones más realistas en superordenadores a exaescala en el futuro.

En este artículo, presentamos una narración ininterrumpida que conecta las primeras estrellas con las primeras galaxias, y finaliza con la reionización cósmica basada en nuestras exploraciones numéricas realizadas durante las últimas dos décadas con numerosos colaboradores.

¿Por qué simular el amanecer cósmico? Hay dos razones de peso para simular el Amanecer Cósmico. La primera es la curiosidad científica. Es intrínsecamente interesante comprender los orígenes de las cosas, en este caso, la primera luz en el universo. La segunda es que las simulaciones numéricas detalladas proporcionan una base interpretativa para comprender lo que se está observando. Esto es cierto para todos los tipos de simulaciones de astrofísica computacional, pero especialmente para casos donde las observaciones están tan cerca del umbral de detección y de la resolución angular de los instrumentos.

Fuentes:

El paper completo en arxiv: Simulating the Cosmic Dawn with Enzo

La web del programa ENZO: The Enzo Project

Saludos.

[Alriga]

…El ingeniero y astrofísico mejicano JM Jáuregui forma parte del equipo de trabajo de SCI-HI y PRIZM, dos experimentos rivales de EDGES que buscan la misma señal … he visto un resumen de José Miguel Jáuregui del proyecto EDGES en el que resalta lo difícil que es la detección debido al ruido del ambiente generado por las emisoras de FM…

…También en el desierto de Karoo en Sudáfrica está instalado el instrumento HERA (Hydrogen Epoch of Reionisation Array) que está intentando replicar el resultado de EDGES. Permaneceremos atentos...

Han pasado 4 años y nadie ha sido capaz de observar la misma señal que EDGES. No solo eso, un experimento llevado a cabo en 2021 llamado SARAS3 (Shaped Antenna measurement of the background RAdio Spectrum 3) y publicado en Nature Astronomy dice en su abstract:

“…Reportamos una medición de radiómetro del espectro del cielo de radio en la banda de 55-85 MHz, que muestra que el perfil encontrado por Bowman et al. en los datos tomados con el instrumento de banda baja Experiment to Detect the Global Epoch of Reionization Signature (EDGES) no es de origen astrofísico…”

La gente de SARAS3 cree que la señal de EDGES no es astrofísica, sino algún tipo de ruido no bien filtrado. El preprint de arxiv de SARAS3 es On the detection of a cosmic dawn signal in the radio background

Francis Villatoro comentó el tema en el post Podcast CB SyR 358: SARAS3 y el amanecer cósmico, MeerKAT y el centro galáctico, DeepMind y el control de la fusión, tiranosaurios y tecnología animal

Seguiremos atentos a las novedades en el tema. Saludos.