Fa uns 13.800 milions d'anys, l'univers era un lloc extremament calent i dens. Encara no existien estrelles, planetes ni galàxies, però durant els seus primers minuts van començar a formar-se els nuclis d'alguns dels elements químics que més tard passarien a formar part d'aquestes estructures.
Reconstruir el que va ocórrer en aquell període és un dels grans desafiaments de la cosmologia. Ara, un equip internacional ha aconseguit mesurar amb una precisió sense precedents la quantitat d'heli que es va formar durant els primers cinc minuts després del Big Bang, utilitzant observacions de 15 petites galàxies que amb prou feines han canviat la seva composició química.
La investigació, presentada en cinc articles de The Astrophysical Journal, ha reduït la incertesa d'aquesta mesura al 0,5%, aproximadament tres vegades menys que en estimacions anteriors. El resultat permetrà examinar amb més precisió les condicions de l'univers primitiu i comprovar algunes prediccions fonamentals de la física.
L'heli conserva informació dels primers minuts de l'univers
Encara que avui trobem heli a les estrelles i en nombrosos llocs del cosmos, una part important d'aquest element va aparèixer molt abans que existissin les primeres galàxies. Durant els minuts posteriors al Big Bang, l'univers es va refredar prou perquè protons i neutrons comencessin a combinar-se i formar nuclis d'elements lleugers, principalment hidrogen i heli.
Aquest procés, conegut com a nucleosíntesi primordial, depenia de les condicions físiques d'aquell moment. La temperatura, la densitat i la velocitat d'expansió van determinar quina quantitat de cada element podia produir-se abans que l'univers es refredés massa per mantenir aquestes reaccions.
Per això, l'abundància original d'heli serveix per comprovar si els càlculs sobre els primers minuts del cosmos són correctes. Juntament amb l'expansió de l'univers i la radiació còsmica de fons, la proporció d'elements lleugers constitueix una de les principals proves que donen suport al model del Big Bang.
Les observacions del James Webb també han permès investigar les primeres etapes del cosmos, encara que des d'una perspectiva diferent. El telescopi ha identificat petits objectes vermellosos que existien quan l'univers tenia tot just uns centenars de milions d'anys, una època molt posterior a la formació de l'heli primordial.
La dificultat de mesurar aquest element rau en el fet que les estrelles també el produeixen al llarg de la seva vida. Quan els astrònoms estudien una galàxia, troben una barreja de l'heli format després del Big Bang i del generat per generacions posteriors d'estrelles. Separar ambdues contribucions és fonamental per a calcular la seva abundància original.
Quinze galàxies van permetre assolir una precisió inèdita
Per a reduir aquesta incertesa, els investigadors van seleccionar 15 galàxies petites i amb una composició química molt poc alterada. Aquests objectes contenen quantitats relativament baixes d'elements més pesants que l'heli, cosa que permet estudiar el gas amb menys influència de l'activitat estel·lar acumulada durant milers de milions d'anys.
Les galàxies no existien durant els primers cinc minuts de l'univers, sinó que es van formar molt de temps després. El seu interès rau en el fet que conserven una composició relativament senzilla, útil per a estimar quant heli hi havia abans que les estrelles comencessin a enriquir el gas amb nous elements.
L'equip va dedicar unes 130 hores d'observació a aquests objectes utilitzant el Large Binocular Telescope, situat a Arizona. Els seus dos grans miralls permeten captar la llum de galàxies molt febles i analitzar-la mitjançant instruments capaços d'identificar petites diferències en la seva composició.
La clau va ser en els espectrògrafs MODS, desenvolupats a la Universitat Estatal d'Ohio. Els investigadors van analitzar simultàniament més de deu línies espectrals de l'heli i quinze de l'hidrogen, senyals que permeten estudiar tant l'abundància d'aquests elements com les condicions del gas en què es troben.
Comptar amb tantes mesures va permetre identificar i corregir fonts d'error que resultaven difícils de controlar en treballs anteriors. En una investigació que busca reduir la incertesa per sota de l'1%, factors com la temperatura del gas o les diferències entre les línies espectrals poden afectar de forma important el resultat.
La precisió finalment assolida va ser del 0,5%, exactament l'objectiu que els investigadors s'havien marcat abans de començar. Evan Skillman, astrònom de la Universitat de Minnesota i un dels responsables del projecte, considera que es tracta d'un dels resultats més importants de les seves quatre dècades de carrera per la informació que aporta sobre les condicions de l'univers primerenc.
Disposar d'una mesura tan precisa també resulta útil per interpretar l'evolució posterior del cosmos. Les observacions de galàxies antigues permeten estudiar com van sorgir les primeres estructures i com van poder créixer alguns forats negres supermassius quan l'univers encara era molt jove. Conèixer millor la composició química inicial ajuda a establir les condicions de partida d'aquesta evolució.
Els resultats permeten investigar quants tipus de neutrins existien
La quantitat d'heli produïda després del Big Bang no depenia únicament dels protons i neutrons disponibles. També estava relacionada amb la velocitat a la qual s'expandia l'univers, determinada en part per les partícules i l'energia presents durant aquella etapa.
Entre aquestes partícules hi havia els neutrins, que tenen una massa extremament petita i interactuen molt dèbilment amb la matèria. Encara que són difícils de detectar, la seva presència va influir en les condicions de l'univers primitiu i, per tant, en la formació d'elements lleugers.
El model estàndard de la física de partícules preveu tres tipus coneguts de neutrins. Si durant els primers minuts haguessin existit altres partícules lleugeres amb propietats semblants, haurien pogut modificar l'expansió de l'univers i alterar la quantitat d'heli que va arribar a formar-se.
Els investigadors van utilitzar la nova mesura per establir restriccions més precises sobre el nombre de famílies de neutrins compatibles amb aquelles condicions. Els resultats encaixen amb les prediccions del model establert, però permeten avaluar amb més rigor les hipòtesis que plantegen l'existència de partícules addicionals.
Això no significa que s'hagi descobert una nova partícula ni que la investigació expliqui per si sola la naturalesa de la matèria fosca. La seva aportació consisteix a oferir una referència més precisa amb la qual comparar les prediccions de diferents models físics.
L'estudi complementa altres formes d'investigar l'univers primitiu. La radiació còsmica de fons, que també permet estudiar la geometria i evolució de l'univers, ofereix informació d'una època posterior, quan el cosmos tenia aproximadament 380.000 anys. Combinar aquestes mesures ajuda a comprovar si una mateixa explicació física descriu correctament diferents etapes de la seva història.
Per ara, la troballa no obliga a modificar la teoria del Big Bang. La novetat és que els científics disposen d'un mesurament molt més exigent per posar-la a prova i buscar possibles diferències entre les seves prediccions i les observacions.
Els investigadors podran utilitzar aquest resultat per comprovar noves propostes sobre les partícules presents a l'univers primerenc. Una petita diferència en la quantitat d'heli primordial podria assenyalar processos físics encara desconeguts, i ara serà més fàcil distingir si aquesta diferència existeix realment o es deu a les limitacions dels mesuraments anteriors.