Hace unos 13.800 millones de años, el universo era un lugar extremadamente caliente y denso. Todavía no existían estrellas, planetas ni galaxias, pero durante sus primeros minutos comenzaron a formarse los núcleos de algunos de los elementos químicos que más tarde pasarían a formar parte de esas estructuras.
Reconstruir lo que ocurrió en aquel periodo es uno de los grandes desafíos de la cosmología. Ahora, un equipo internacional ha conseguido medir con una precisión sin precedentes la cantidad de helio que se formó durante los primeros cinco minutos después del Big Bang, utilizando observaciones de 15 pequeñas galaxias que apenas han cambiado su composición química.
La investigación, presentada en cinco artículos de The Astrophysical Journal, ha reducido la incertidumbre de esta medición al 0,5%, aproximadamente tres veces menos que en estimaciones anteriores. El resultado permitirá examinar con mayor precisión las condiciones del universo primitivo y comprobar algunas predicciones fundamentales de la física.
El helio conserva información de los primeros minutos del universo
Aunque hoy encontramos helio en las estrellas y en numerosos lugares del cosmos, una parte importante de este elemento apareció mucho antes de que existieran las primeras galaxias. Durante los minutos posteriores al Big Bang, el universo se enfrió lo suficiente para que protones y neutrones comenzaran a combinarse y formar núcleos de elementos ligeros, principalmente hidrógeno y helio.
Este proceso, conocido como nucleosíntesis primordial, dependía de las condiciones físicas de aquel momento. La temperatura, la densidad y la velocidad de expansión determinaron qué cantidad de cada elemento podía producirse antes de que el universo se enfriara demasiado para mantener esas reacciones.
Por eso, la abundancia original de helio sirve para comprobar si los cálculos sobre los primeros minutos del cosmos son correctos. Junto con la expansión del universo y la radiación cósmica de fondo, la proporción de elementos ligeros constituye una de las principales pruebas que respaldan el modelo del Big Bang.
Las observaciones del James Webb también han permitido investigar las primeras etapas del cosmos, aunque desde una perspectiva diferente. El telescopio ha identificado pequeños objetos rojizos que existían cuando el universo tenía apenas unos cientos de millones de años, una época muy posterior a la formación del helio primordial.
La dificultad de medir este elemento está en que las estrellas también lo producen a lo largo de su vida. Cuando los astrónomos estudian una galaxia, encuentran una mezcla del helio formado tras el Big Bang y del generado por generaciones posteriores de estrellas. Separar ambas contribuciones es fundamental para calcular su abundancia original.
Quince galaxias permitieron alcanzar una precisión inédita
Para reducir esa incertidumbre, los investigadores seleccionaron 15 galaxias pequeñas y con una composición química muy poco alterada. Estos objetos contienen cantidades relativamente bajas de elementos más pesados que el helio, lo que permite estudiar el gas con menos influencia de la actividad estelar acumulada durante miles de millones de años.
Las galaxias no existían durante los primeros cinco minutos del universo, sino que se formaron mucho después. Su interés reside en que conservan una composición relativamente sencilla, útil para estimar cuánto helio había antes de que las estrellas comenzaran a enriquecer el gas con nuevos elementos.
El equipo dedicó unas 130 horas de observación a estos objetos utilizando el Large Binocular Telescope, situado en Arizona. Sus dos grandes espejos permiten captar la luz de galaxias muy débiles y analizarla mediante instrumentos capaces de identificar pequeñas diferencias en su composición.
La clave estuvo en los espectrógrafos MODS, desarrollados en la Universidad Estatal de Ohio. Los investigadores analizaron simultáneamente más de diez líneas espectrales del helio y quince del hidrógeno, señales que permiten estudiar tanto la abundancia de estos elementos como las condiciones del gas en el que se encuentran.
Contar con tantas mediciones permitió identificar y corregir fuentes de error que resultaban difíciles de controlar en trabajos anteriores. En una investigación que busca reducir la incertidumbre por debajo del 1%, factores como la temperatura del gas o las diferencias entre las líneas espectrales pueden afectar de forma importante al resultado.
La precisión finalmente alcanzada fue del 0,5%, exactamente el objetivo que los investigadores se habían marcado antes de comenzar. Evan Skillman, astrónomo de la Universidad de Minnesota y uno de los responsables del proyecto, considera que se trata de uno de los resultados más importantes de sus cuatro décadas de carrera por la información que aporta sobre las condiciones del universo temprano.
Disponer de una medida tan precisa también resulta útil para interpretar la evolución posterior del cosmos. Las observaciones de galaxias antiguas permiten estudiar cómo surgieron las primeras estructuras y cómo pudieron crecer algunos agujeros negros supermasivos cuando el universo todavía era muy joven. Conocer mejor la composición química inicial ayuda a establecer las condiciones de partida de esa evolución.
Los resultados permiten investigar cuántos tipos de neutrinos existían
La cantidad de helio producida después del Big Bang no dependía únicamente de los protones y neutrones disponibles. También estaba relacionada con la velocidad a la que se expandía el universo, determinada en parte por las partículas y la energía presentes durante aquella etapa.
Entre esas partículas estaban los neutrinos, que tienen una masa extremadamente pequeña e interactúan muy débilmente con la materia. Aunque son difíciles de detectar, su presencia influyó en las condiciones del universo primitivo y, por tanto, en la formación de elementos ligeros.
El modelo estándar de la física de partículas contempla tres tipos conocidos de neutrinos. Si durante los primeros minutos hubieran existido otras partículas ligeras con propiedades similares, habrían podido modificar la expansión del universo y alterar la cantidad de helio que llegó a formarse.
Los investigadores utilizaron la nueva medición para establecer restricciones más precisas sobre el número de familias de neutrinos compatibles con aquellas condiciones. Los resultados encajan con las predicciones del modelo establecido, pero permiten evaluar con más rigor las hipótesis que plantean la existencia de partículas adicionales.
Esto no significa que se haya descubierto una nueva partícula ni que la investigación explique por sí sola la naturaleza de la materia oscura. Su aportación consiste en ofrecer una referencia más precisa con la que comparar las predicciones de diferentes modelos físicos.
El estudio complementa otras formas de investigar el universo primitivo. La radiación cósmica de fondo, que también permite estudiar la geometría y evolución del universo, ofrece información de una época posterior, cuando el cosmos tenía aproximadamente 380.000 años. Combinar estas mediciones ayuda a comprobar si una misma explicación física describe correctamente distintas etapas de su historia.
Por ahora, el hallazgo no obliga a modificar la teoría del Big Bang. La novedad está en que los científicos disponen de una medición mucho más exigente para ponerla a prueba y buscar posibles diferencias entre sus predicciones y las observaciones.
Los investigadores podrán utilizar este resultado para comprobar nuevas propuestas sobre las partículas presentes en el universo temprano. Una pequeña diferencia en la cantidad de helio primordial podría señalar procesos físicos todavía desconocidos, y ahora será más fácil distinguir si esa diferencia existe realmente o se debe a las limitaciones de las mediciones anteriores.