El mapa de lo Invisible: rastreando el hidrógeno que dio forma al cosmos 3u1j6d

Bienvenidos a Bajo las Estrellas, un programa donde exploramos y compartimos la experiencia de observar el cielo nocturno. Hoy nos sumergimos en una longitud de onda que, bueno, aunque invisible a nuestros ojos, actúa casi como una máquina del tiempo cósmica. Los 21 centímetros.

Suena, a ver, muy específico. ¿Qué tiene de especial? Pues es que es la huella dactilar, digamos, en radio del átomo más común del universo, el hidrógeno neutro. Y no viene de una transición energética muy potente, sino de un cambio cuántico increíblemente sutil en su interior, relacionado con una propiedad llamada spin.

Hablemos de eso, del spin. A ver, el hidrógeno básico es un protón y un electrón. Entiendo que ambos tienen esta propiedad, como si giraran, ¿no? ¿Cómo lleva eso a emitir justo en 21 centímetros? Imagina, sí, que el protón y el electrón son como peonzas diminutas. Pueden girar con sus ejes apuntando en la misma dirección, eso es el estado alineado, o en direcciones opuestas, el estado anti-alineado. Pues resulta que el estado alineado tiene una pizca, muy poquito, más de energía que el anti-alineado.

Una pizca. Pero suficiente para que lo detectemos desde años luz e distancia. Parece increíble.

Suficiente, sí. Pero aquí viene lo curioso. La transición espontánea del estado alineado al anti-alineado, que es cuando se libera esa pizca de energía como un fotón de 21 centímetros, es muy muy poco frecuente para un átomo aislado. A ver, la vida media de un átomo en ese estado es de unos 10 millones de años. 10 millones de años. Entonces, si es tan improbable, ¿cómo es que esta señal es tan tan fundamental en astronomía? No me cuadra.

Ah, ahí está la clave. La escala. Es que, aunque la transición sea rara para un átomo individual, el universo está inconcebiblemente lleno de hidrógeno neutro. Piensa en nubes interestelares intergalácticas. Gigantescas, con cantidades astronómicas de átomos.

Claro. Imagina billones y billones de átomos susurrando esta señal constantemente. El coro que forman. Ese sí que es detectable por nuestros radiotelescopios. Entendido. Vale, es un juego de números cósmicos. Muchísimo hidrógeno compensa esa baja probabilidad individual. ¿Y qué historias nos cuenta este coro de 21 centímetros? Pues nos cuenta dos historias principales.

Una sobre el pasado muy muy remoto y otra más, más cercana, digamos. La primera nos lleva a las llamadas edades oscuras del universo. Ese periodo, que duró cientos de millones de años después del Big Bang, fue antes de que brillaran las primeras estrellas. El universo era oscuro, pero estaba lleno de este hidrógeno neutro. Y la señal de 21 centímetros nos permite mapear la distribución de ese gas primordial.

Ya. Ver cómo se acumulaba, formando esa estructura filamentosa como el andamio cósmico sobre el que luego se construirían las galaxias. O sea, ver la estructura invisible del universo antes de que hubiera luces, estrellas que le iluminaran. Eso tiene implicaciones enormes.

Exacto. Esos mapas primordiales no son sólo una curiosidad. Son cruciales para contrastar nuestros modelos cosmológicos, para entender cómo la gravedad, y quizá la materia oscura, empezaron a esculpir el universo que vemos hoy. Y fíjate, la mayor parte de la materia ordinaria del universo nunca ha estado dentro de una estrella. Ha permanecido como gas difuso, y esta es nuestra principal forma de rastrearlo a gran escala.

¡Fascinante! Ver lo invisible y poner a prueba teorías fundamentales.

Mencionaste una segunda historia, más cercana.

Sí. La señal de 21 centímetros también nos chiva, por así decir, la formación estelar más reciente. Cuando nacen estrellas muy masivas, muy calientes, su intensa radiación ultravioleta rompe los átomos de hidrógeno cercanos, separa protones y electrones, lo que llamamos ionización.

Vale.

Pero cuando estas estrellas mueren, o la radiación disminuye, los electrones y protones se recombinan, vuelven a juntarse, para formar hidrógeno neutro de nuevo.

¡Ah, claro! Y al recombinarse, algunos de esos átomos recién formados acaban en ese estado alineado de mayor energía. Justo. Y al relajarse al estado de menor energía, pues vuelven a emitir la señal de 21 centímetros. Así que, observando esta emisión, podemos trazar un mapa de dónde han nacido estrellas masivas recientemente.

¡Qué bueno! Tenemos imágenes espectaculares de galaxias como Messier 81, o de nuestra propia Vía Láctea, hechas puramente con esta luz de radio de 21 centímetros. Revelan brazos espirales, regiones de formación estelar activa, como si fueran ecos de nacimientos estelares.

O sea, que la misma longitud de onda nos sirve de máquina electrónica.