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

El hidrógeno es el átomo más sencillo que existe, contiene únicamente un electrón y un protón (comparémoslo con cualquier otro, por ejemplo el californio—sí hay un elemento que se llama así— que tiene 98 protones y 98 electrones o con el uranio con 92 de cada). El hidrógeno es también el más abundante, representa tres cuartas partes de la masa total de eso con lo que están hechas las cosas que vemos, la materia bariónica. Las claves de la complejidad del universo están escritas en la simplicidad del hidrógeno y gran parte de la historia cósmica que podemos reconstruir es básicamente un culebrón que tiene como protagonistas al electrón y al protón, su tumultuosa relación de pareja y los 21,1 cm de energía que los separan cuando están muy juntos.

La señal más antigua que hemos sido capaces de medir en el cosmos está relacionada con el proceso mediante el cual los electrones se ligaron a los protones para formar los primeros átomos de hidrógeno. Esta unión que se produjo apenas 380.000 años después del Big Bang dejó una huella en todo el universo, es lo más remoto que hemos mirado atrás en el tiempo y lo conocemos como Fondo Cósmico de Microondas (ver, por ejemplo, la misión PLANCK). Desde ese momento, hasta que se forman las estrellas y empezamos a ver su luz entramos en la edad de la oscura ignorancia.

Los 21,1 cm son clave porque esa es la señal que el cosmos estaría enviándonos desplazada al rojo (como un muelle muy estirado por la expansión del universo)

Para poder ver qué ocurrió en ese largo periodo oscuro del cual no sabemos prácticamente nada, hay que detectar lo único que existía: extremadamente remotas, trillones de nubes de gas de 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 divorcian de nuevo, separándose en los electrones y protones que llamamos gas ionizado, no hemos podido detectar señal todavía. Es ahí donde esos 21,1 cm son clave porque esa es la señal que el cosmos estaría enviándonos desplazada al rojo (como un muelle muy estirado por la expansión del universo).

¿Cómo se produce esa señal? Pensemos al simple hidrógeno con una carga positiva y una carga negativa que en su configuración más relajada, fundamental, se sitúan uno muy cerca del otro. Imaginemos, por ejemplo, que están tirados en el sofá mirando un documental de leones. En ese sofá pueden estar en dos estados, ambos con las cabezas en el mismo lado o ambos con las cabezas en lados opuestos del sofá. Obviamente, no es lo mismo un estado que el otro, al de las cabezas paralelas lo llamamos su estado excitado porque cansa y aunque el electrón puede pasarse así unos 10 millones de años acaba agarrando el cojín y pasándose al otro lado del sofá, su estado fundamental, donde tienen las cabezas antiparalelas. Estas dos energías son muy parecidas, pero el paso de una a otra se manifiesta en la emisión de radiación que tiene una longitud de onda bien conocida, 21.1 cm que transformados en frecuencia nos dan 1420.4 megahercios (MHz) o sea que estamos hablando de ondas de radio. Es una onda grande y como tal está asociada a una energía muy pequeña, es 26 órdenes de magnitud menor que las 89 calorías de energía que es capaz de proporcionar un plátano. Esto sería como comparar el tamaño del universo con la longitud de un metro, y estirada por la expansión del universo al tiempo que queremos medir estaría desplazada a frecuencias más bajas entre los 10 y los 210 MHz.

Si somos capaces de detectar la que proviene de las primeras nubes de hidrógeno formadas en el universo antes de que ni siquiera existieran estrellas, tendríamos una señal certera del comienzo del universo

Esta longitud de onda es una de las cantidades que se conocen con mayor precisión en astrofísica, su existencia fue predicha en 1944 por el astrónomo Hendrick van del Huslt como una manera de detectar el 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 se utiliza además para hacer mapas de las nubes de gas en nuestro entorno relativamente cercano. Si somos capaces de detectar la que proviene de las primeras nubes de hidrógeno formadas en el universo antes de que ni siquiera existieran estrellas, tendríamos una señal certera del comienzo del universo.

Y ahora hablemos del problema. Imaginemos que podemos construir un aparato de radio capaz de sintonizar esa señal. Supongamos además que solo moviendo el dial, eso que se hacía en las radios antiguas, sintonizamos no diferentes emisoras sino las señales emitidas en tiempos diferentes. ¿A qué estamos esperando para construirlo? Pues bien, ya lo estamos haciendo, ese aparato se llama Square Kilometer Array (SKA), España tendrá una contribución importante y se espera que revolucione el campo permitiendo detectar por vez primera nubes de hidrógeno gigantes alejadísimas en el tiempo y el espacio.

Pero hay otra parte de emisión de estas nubes que no podemos sintonizar con instrumentos en la Tierra por dos motivos principales, uno que aquí abajo hacemos mucho ruido en esas frecuencias y otro que están bloqueadas por la presencia de la ionosfera (una capa de la atmósfera entre los 80 y 400 km de altitud que refleja las ondas de radio, donde se forman también las auroras boreales y se desintegran los meteoroides). Nuestra esperanza, quizás la única, de sintonizar esa señal por encima de los 30 Mhz sería hacerlo con radiotelescopios colocados en la cara oculta de la Luna. Ninguna de las futuras misiones espaciales a nuestro satélite contempla todavía esa posibilidad para hacer ciencia pura, básica, fundamental, no minería espacial ni viajes turísticos, desde la Luna. Esperemos que no perdamos esa oportunidad de iluminar nuestro conocimiento acerca de ese periodo oscuro en la vida del universo, probar nuestros modelos cosmológicos, comprender como funciona el universo en su modo más fundamental y aprender física que ni siquiera hemos tenido todavía casi ni la posibilidad de imaginar. Mientras tanto permanecemos muy atentos a los sorprendentes descubrimientos que esperamos se producirán con SKA.

Eva Villaver es investigadora del Centro de Astrobiología, dependiente del Consejo Superior de Investigaciones Científicas y del Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (CAB/CSIC-INTA).

Vacío Cósmico es una sección en la que se presenta nuestro conocimiento sobre el universo de una forma cualitativa y cuantitativa. Se pretende explicar la importancia de entender el cosmos no solo desde el punto de vista científico sino también filosófico, social y económico. El nombre “vacío cósmico” hace referencia al hecho de que el universo es y está, en su mayor parte, vacío, con menos de 1 átomo por metro cúbico, a pesar de que en nuestro entorno, paradójicamente, hay quintillones de átomos por metro cúbico, lo que invita a una reflexión sobre nuestra existencia y la presencia de vida en el universo. La sección la integran Pablo G. Pérez González, investigador del Centro de Astrobiología; Patricia Sánchez Blázquez, profesora titular en la Universidad Complutense de Madrid (UCM); y Eva Villaver, investigadora del Centro de Astrobiología.

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