21,1 cm y el culebrón cósmico del átomo de hidrógeno | Malogrado Cósmico

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El hidrógeno es el átomo más simple que existe, contiene solo un electrón y un protón (comparémoslo con otro, por ejemplo californio – hay un elemento que se llama así – que tiene 98 protones y 98 electrones o con l uranio con 92 décadas ). El hidrógeno también es el más abundante, ya que representa las tres cuartas partes de la masa total de lo que están hechas las cosas que vemos, materia bariónica. Las claves de la complejidad del universo están escritas en la sencillez del hidrógeno y gran parte de la historia cósmica que podemos reconstruir es básicamente una telenovela protagonizada por el electrón y el protón, su tumultuosa relación en pareja y los 21,1 cm de energía. Que los separa cuando están cerca.

La señal más antigua que hemos podido medir en el cosmos se relaciona con el proceso mediante el cual los electrones se unieron con los protones para formar los primeros átomos de hidrógeno. Esta unión que tuvo lugar apenas 380.000 años después de que el Big Bang dejó una marca en todo el universo, es lo más remoto que hemos mirado hacia atrás en el tiempo y que conocemos como el Fondo Cósmico de Microondas (ver, por ejemplo, el Misión PLANCK). A partir de ese momento, hasta que las estrellas se hayan formado y comencemos a ver su luz, entraremos en la era de la oscura ignorancia.

Los 21,1 cm es la clave porque esta es la señal que el cosmos nos enviaría desplazados hacia el rojo (como un resorte muy tenso por la expansión del universo)

Para ver qué sucedió en ese largo período oscuro del que prácticamente no sabemos nada, necesitamos detectar lo único que existía: extremadamente remotas, billones de nubes de gas hidrógeno neutro. Durante esta primera relación en forma de hidrógeno neutro entre el protón y el electrón que duró unos 660 millones de años y hasta que nuestros protagonistas se divorciaron nuevamente, separándose en electrones y protones a los que llamamos gas ionizado, no pudimos volver a detectar una señal. Ahí es donde esos 21,1 cm son fundamentales porque esta es la señal que nos enviaría el cosmos desplazados hacia el rojo (como un resorte muy tenso por la expansión del universo).

¿Cómo se produce esta señal? Piense en un hidrógeno simple con una carga positiva y una carga negativa que, en su configuración fundamental más relajada, están muy cerca entre sí. Imagínese, por ejemplo, que está acostado en el sofá viendo un documental sobre leones. En ese sofá pueden estar en dos estados, ambos con la cabeza en el mismo lado o ambos con la cabeza en lados opuestos del sofá. Obviamente un estado no es igual que el otro, llamamos al que tiene cabezas paralelas su estado excitado porque se cansa, y aunque el electrón puede pasar 10 millones de años así, termina agarrando la almohada y moviéndose hacia el otro lado. del sofá, su estado fundamental, donde cuentan con cabeceros antiparalelos. Estas dos energías son muy similares, pero la transición de una a otra se manifiesta en la emisión de radiación que tiene una conocida longitud de onda, 21,1 cm, que transformada en frecuencia nos da 1420,4 megahercios (MHz), es decir, nos estamos hablando de ondas de radio. Es una ola grande y como tal se asocia con muy poca energía, es 26 órdenes de magnitud menos que las 89 calorías de energía que puede proporcionar un plátano. Sería como comparar el tamaño del universo con la longitud de un metro, y estirado por la expansión del universo en el momento que queremos medirlo se desplazaría a frecuencias más bajas entre 10 y 210 MHz.

Si pudiéramos detectar la que proviene de las primeras nubes de hidrógeno formadas en el universo incluso antes de que existieran las estrellas, tendríamos una señal precisa del comienzo del universo.

Esta longitud de onda es una de las cantidades conocidas con mayor precisión en astrofísica, su existencia fue predicha en 1944 por el astrónomo Hendrick van del Huslt como una forma de detectar hidrógeno atómico frío y nos permitió ver por primera vez la estructura espiral de nuestra galaxia. . Las placas de las sondas espaciales Pioneer 10 y Pioneer 11 llevan la figura de dos humanos medidos en la escala de esta transición hiperfina del átomo de hidrógeno que también se utiliza para crear mapas de nubes de gas en nuestro entorno relativamente cercano. Si podemos detectar lo que proviene de las primeras nubes de hidrógeno formadas en el universo antes de que existieran las estrellas, tendríamos una señal precisa del comienzo del universo.

Y ahora hablemos del problema. Imagínese poder construir un dispositivo de radio capaz de sintonizar esa señal. Supongamos también que con solo mover la perilla, que se hacía en radios antiguas, no sintonizas diferentes estaciones sino las señales emitidas en diferentes momentos. ¿A qué estamos esperando para construirlo? Pues ya lo estamos haciendo, este dispositivo se llama Square Kilometer Array (SKA), España hará un aporte importante y se espera que revolucione el campo, permitiendo por primera vez detectar nubes gigantes de hidrógeno muy lejanas en el tiempo y el espacio. .

Pero hay otra parte de la emisión de estas nubes que no podemos sintonizar con instrumentos en la Tierra por dos razones principales, una que hacemos mucho ruido aquí abajo en esas frecuencias y la otra que está bloqueada por la presencia de la ionosfera ( una capa de la atmósfera entre 80 y 400 km de altitud que refleja ondas de radio, donde también se forman las auroras boreales y se desintegran los meteoroides). Nuestra esperanza, quizás la única, de sintonizar esa señal por encima de 30 MHz sería hacerlo con radiotelescopios colocados en el lado opuesto de la Luna. Ninguna de las futuras misiones espaciales en nuestro satélite aún contempla esa posibilidad de hacer ciencia pura, básica, fundamental, no extracción espacial o viajes turísticos, desde la Luna. Esperamos no perder la oportunidad de iluminar nuestro conocimiento sobre ese período oscuro en la vida del universo, probar nuestros modelos cosmológicos, comprender cómo funciona el universo en su forma más fundamental y aprender física que ni siquiera hemos tenido un ‘ oportunidades aún por hacer, por imaginar. Mientras tanto, permanecemos muy atentos a los increíbles descubrimientos que esperamos se hagan con SKA.

Eva malvada Es investigadora del Centro de Astrobiología del Consejo Superior de Investigaciones Científicas y del Instituto Nacional de Tecnología Aeroespacial (CAB / CSIC-INTA).

Vacío cósmico es una sección en la que nuestro conocimiento del universo se presenta cualitativa y cuantitativamente. Tiene como objetivo explicar la importancia de comprender el cosmos no solo desde un punto de vista científico sino también desde un punto de vista filosófico, social y económico. El nombre «vacío cósmico» se refiere al hecho de que el universo está y está, en su mayor parte, vacío, con menos de 1 átomo por metro cúbico, aunque paradójicamente hay quintillones de átomos por metro cúbico en nuestro entorno, lo que nos invita a para reflexionar sobre nuestra existencia y la presencia de vida en el universo. La sección consta de Pablo G. Pérez González, investigadora del Centro de Astrobiología; Patricia Sánchez Blázquez, Catedrático de la Universidad Complutense de Madrid (UCM); Y Eva malvada, investigadora del Centro de Astrobiología.

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