Astrónomos triplican la precisión al reconstruir los primeros minutos tras el Big Bang

Los astrónomos triplicaron la precisión en la estimación de la cantidad de helio que apareció en los primeros minutos tras el Big Bang. La nueva medición mostró que el helio-4 primordial constituyó 0,2458 ± 0,0013 de la masa de la materia ordinaria del Universo, es decir, alrededor del 24,6%. La incertidumbre se redujo aproximadamente hasta 0,5%, y el resultado coincidió con la predicción del modelo cosmológico estándar.

No es posible observar directamente los primeros minutos de vida del Universo. La radiación electromagnética más antigua accesible a las observaciones apareció aproximadamente 400 000 años después del Big Bang, cuando la materia se enfrió lo suficiente para que la luz pudiera propagarse libremente por el espacio. Por eso las condiciones de épocas mucho más tempranas se reconstruyen a partir de la materia que se formó entonces y conservó rastros de la composición química inicial.

Uno de los principales restos es el helio-4. Durante los primeros minutos la temperatura y la densidad del Universo disminuyeron rápidamente, y protones y neutrones se combinaron en núcleos de elementos ligeros. El proceso, conocido como nucleosíntesis primordial, dejó principalmente hidrógeno y helio, así como pequeñas cantidades de deuterio, helio-3 y litio. La fracción de helio es especialmente importante porque depende directamente de la velocidad de expansión del Universo joven y de la cantidad de partículas ligeras presentes en ese momento.

Para reconstruir la fracción primordial de helio, los investigadores observaron regiones pobres en elementos pesados de gas ionizado en galaxias pequeñas. Cuanto menor es la cantidad de oxígeno, carbono y otros elementos creados por generaciones posteriores de estrellas en ese gas, más cercana es la composición química a la materia original tras el Big Bang. En la muestra total había 54 regiones; tras comprobar la calidad y posibles errores sistemáticos, dejaron 41 objetos para el análisis posterior. Desempeñaron un papel especial las 15 objetivos más pobres en elementos pesados con una buena relación señal-ruido.

Este conjunto permitió prescindir de una de las principales fuentes de incertidumbre de mediciones anteriores. Antes, los astrónomos a menudo tenían que estudiar muchas galaxias con distinto contenido de elementos pesados y luego extrapolar matemáticamente la dependencia hallada hasta una metalicidad nula. Ahora los objetos más químicamente simples resultaron suficientemente cercanos a la composición primordial como para calcular la fracción másica de helio mediante una media ponderada sin esa extrapolación.

El equipo empleó unas 130 horas de observación con el Gran Telescopio Binocular. Los espectros permitieron analizar simultáneamente más de diez líneas de helio y 15 de hidrógeno, precisando la temperatura y la densidad del gas y teniendo en cuenta pequeños efectos sistemáticos que con una precisión del orden de varios por ciento son casi imperceptibles, pero se vuelven críticos cuando la incertidumbre es inferior al uno por ciento.

El valor obtenido concuerda bien con los cálculos de la nucleosíntesis primordial estándar. El modelo, que emplea la densidad de materia ordinaria del Universo medida de forma independiente, predice una fracción másica de helio primordial de aproximadamente 0,2467 ± 0,0002. Una divergencia significativa entre las observaciones y el cálculo habría señalado procesos desconocidos o partículas adicionales que alteraran la velocidad de expansión del Universo temprano; sin embargo, los investigadores no hallaron una contradicción notable.

La mayor precisión permitió también comprobar la cantidad de partículas ligeras relativistas en el Universo joven. En un análisis independiente, los autores combinaron la nueva fracción de helio con las mediciones del deuterio primordial y de la radiación cósmica de fondo. El cálculo arrojó un número efectivo de especies de neutrinos ligeros de 2,925 ± 0,082, lo que concuerda con los tres tipos conocidos de neutrino del modelo estándar.

La nueva estimación a la vez endurece las restricciones sobre posibles partículas ligeras desconocidas que podrían haber existido en los primeros segundos tras el Big Bang y aumentar la densidad de energía. Para modelos que permiten componentes relativistas adicionales por encima de las tres especies de neutrinos estándar, los investigadores obtuvieron un límite superior de 0,125 de especies efectivas adicionales con un nivel de confianza del 95%. Hasta ahora, los primeros minutos del Universo no muestran señales notables de física más allá del marco estándar.