Una señal cósmica del universo primitivo ayudará a conocer cómo eran las primeras estrellas
¿Cómo nacieron las primeras estrellas del universo? ¿Eran iguales o diferentes a las que vemos hoy? Una tenue señal de hidrógeno, emitida hace más de 13.000 millones de años, podría ser la clave para resolver el misterio.
Por Enrique Coperías
Ilustración artística del posible aspecto de las primeras estrellas del universo. Cortesía: N.R. Fuller /National Science Foundation
Una de las transformaciones más espectaculares en la historia del cosmos ocurrió cuando el universo pasó de la oscuridad total al brillo de las primeras estrellas. Este momento, conocido como el amanecer cósmico, marca el inicio de la compleja estructura que hoy puebla el cielo: galaxias, cúmulos, nebulosas y planetas.
Sin embargo, los protagonistas de aquel evento, las llamadas estrellas de población III, siguen envueltos en misterio. No porque no se sepa que existieron, sino porque no las podemos ver directamente: están demasiado lejos y demasiado atrás en el tiempo.
Ahora, un equipo internacional de astrónomos liderado por la Universidad de Cambridge, en el Reino Unido, ha presentado un método innovador que podría, por fin, revelar una de sus características fundamentales: su distribución de masas. Y lo más sorprendente es que no lo hará observándolas de forma directa, sino escuchando un susurro cósmico dejado por el hidrógeno primitivo: la llamada señal de 21 centímetros.
La clave está en la señal de 21 centímetros del hidrógeno primitivo
Publicado en la revista Nature Astronomy, el estudio muestra cómo esta tenue señal de radio, que surgió apenas cien millones de años después del big bang, guarda la huella de la formación de las primeras estrellas y sus sistemas binarios.
A través de modelos detallados y simulaciones de vanguardia, los científicos han demostrado que los radiotelescopios del futuro podrán detectar diferencias en esta señal que delatan la masa de esas estrellas ancestrales.
La señal de 21 centímetros es emitida por átomos de hidrógeno neutro, el componente más abundante del universo tras el big bang. En épocas anteriores a la formación de las primeras estrellas, el hidrógeno llenaba el cosmos en un estado frío y homogéneo. Pero cuando nacieron los primeros astros, comenzaron a emitir radiación ultravioleta y rayos X, alterando con ello la temperatura y estado del gas circundante.
Ilustración artística de la fusión de dos estrellas de neutrones. Los haces representan el estallido de rayos gamma, mientras que la cuadrícula espacio-temporal ondulante indica las ondas gravitacionales isótropas. Cortesía: National Science Foundation/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet
¿Por qué importa conocer la masa de las primeras estrellas?
Esas variaciones afectan a la intensidad de la señal de 21 cm, que puede detectarse hoy gracias a que la expansión del universo ha estirado su longitud de onda hasta el rango de las ondas de radio. Aunque esta señal no nos permite ver directamente las estrellas, sí revela cómo influían en el entorno, lo que a su vez permite deducir sus propiedades.
«Estamos ante una oportunidad única para aprender cómo emergió la primera luz del universo desde la oscuridad —afirma la profesora Anastasia Fialkov, del Instituto de Astronomía de Cambridge y coautora del estudio. Y añade—: La transición de un universo frío y oscuro a uno lleno de estrellas es una historia que apenas estamos comenzando a comprender».
Conocer la masa de las primeras estrellas no es un capricho teórico. En efecto, es vital para entender cómo se formaron los elementos pesados, cómo se calentó y reionizó el gas del universo primitivo y cómo surgieron las primeras galaxias.
Estas estrellas de población III eran diferentes a las actuales, porque se formaron con una composición química pura, solo hidrógeno y helio. Eso significa que su evolución, brillo y vida fueron radicalmente distintos.
Binarios de rayos X: una pieza crucial del rompecabezas
Pero la distribución de sus masas —lo que se conoce como función inicial de masa— sigue siendo muy incierta. ¿Eran principalmente estrellas masivas, con cientos de veces la masa del Sol? ¿O había también estrellas más pequeñas y longevas? Las simulaciones teóricas no se ponen de acuerdo, y los telescopios actuales, como el James Webb, apenas pueden detectar su influencia colectiva, no individual.
La gran aportación del estudio es haber considerado un efecto hasta ahora poco explorado: el impacto de los sistemas binarios formados por estrellas de población III, especialmente aquellos que, al evolucionar, generaron rayos X.
Cuando una estrella colapsa en un agujero negro o una estrella de neutrones y su compañera sigue viva, se puede formar un sistema binario de rayos X. Estos sistemas emiten radiación que calienta el medio interestelar y modifica la señal de 21 cm.
Lo que predice un modelo teórico
«El número y la luminosidad de estos binarios de rayos X dependen de la masa de las estrellas originales —detalla Fialkov—. Por tanto, al estudiar cómo varía la señal de 21 cm con el tiempo y el espacio, podemos deducir cuál era la distribución de masas de esas primeras estrellas».
Utilizando un modelo teórico avanzado que combina la composición química primordial, las tasas de formación estelar y los procesos físicos en el universo temprano, los investigadores generaron predicciones detalladas de cómo debería comportarse la señal de 21 cm bajo distintas suposiciones sobre la IMF.
Y dichas predicciones apuntan claramente a que esa señal es mucho más sensible a la función inicial de masa de lo que se creía, especialmente gracias a los efectos del calentamiento por rayos X.
REACH y SKA, los telescopios del amanecer cósmico
Para poner a prueba su teoría, los astrónomos evaluaron el grado de capacidad de los futuros telescopios para detectar estas diferencias en la señal. Se enfocaron en dos importantes proyectos:
🔭 El REACH (Radio Experiment for the Analysis of Cosmic Hydrogen). Instalado en la meseta semidesértica de Karoo, en Sudáfrica, está diseñado para captar la señal global de 21 cm, es decir, su evolución promedio a lo largo del tiempo. Aunque todavía se encuentra en fase de calibración, promete ofrecer datos valiosos sobre el universo primitivo. «Las predicciones que estamos publicando tienen implicaciones enormes para comprender la naturaleza de las primeras estrellas del universo», afirma Eloy de Lera Acedo, investigador principal de REACH y coautor del estudio.
🔭 El SKA-Low (la parte de baja frecuencia del Square Kilometre Array, actualmente en construcción). Este será un gigantesco conjunto de antenas que mapeará las fluctuaciones espaciales de la señal de 21 cm, lo que proporcionara a buen seguro una imagen más detallada de las regiones donde se formaron las primeras estrellas y galaxias.
« El REACH y el SKA no nos permitirán ver estrellas individuales como hace el telescopio James Webb, pero sí nos darán información estadística sobre poblaciones completas de estrellas, sistemas binarios y galaxias tempranas —aclara Fialkov—. Es un enfoque diferente, pero igualmente poderoso».
Desde la remota región de Murchison, en Australia Occidental —tierras tradicionales del pueblo wajarri yamaji—, las 131.072 antenas del radiotelescopio SKA-Low explorarán una de las últimas eras inexploradas del cosmos. Este megatelescopio cartografiará la estructura del universo primitivo, para revelar cómo nacieron y murieron las primeras estrellas y cómo se formaron las primeras galaxias durante el primer milenio cósmico.
Resultados prometedores: ¿qué se puede medir?
Los modelos del equipo muestran que si REACH logra una sensibilidad de 25 milikelvin, podrá distinguir entre diferentes funciones iniciales de masa con un nivel de confianza del 99% o más. Lo mismo ocurriría con unas 3.000 horas de observación por parte del SKA-Low. Combinando ambos datos, los resultados mejorarían aún más, según los autores del estudio.
«Radiotelescopios como el REACH prometen desbloquear los misterios del universo infantil, y estas predicciones son esenciales para guiar las observaciones que estamos realizando desde Karoo, en Sudáfrica», añade de Lera Acedo.
Además, los investigadores advierten de que asumir una función inicial de masa incorrecta al interpretar futuros datos puede sesgar las conclusiones sobre otras propiedades astrofísicas, como la eficiencia de formación estelar o la influencia de la materia oscura. Por eso, consideran que la función inicial de masa debe tratarse como un parámetro libre en cualquier análisis cosmológico riguroso.
¿Qué significa esto para el futuro de la cosmología?
El trabajo no solo propone un método para investigar un periodo enigmático de la historia cósmica, sino que también consolida el papel emergente de la cosmología de 21 cm como una herramienta de precisión. Aunque aún existen desafíos técnicos, como es la eliminación del ruido de fondo galáctico, los avances en modelado y sensibilidad experimental hacen que estemos más cerca que nunca de escuchar el primer suspiro del universo.
«El hecho de que podamos inferir la masa de las primeras estrellas analizando una señal de hidrógeno es, sencillamente, extraordinario —plantea Fialkov. Y concluye—: Nos conecta directamente con un tiempo donde no existía nada más que gas y oscuridad, justo antes de que todo comenzara».
Y es que en esa señal tenue y lejana, el cosmos aún susurra los secretos de su infancia. Solo necesitamos los instrumentos —y la imaginación— para escucharlos. ▪️
Información facilitada por la Universidad de Cambridge
Fuente: Gessey-Jones, T., Sartorio, N. S., Bevins, H. T. J. et al. Determination of the mass distribution of the first stars from the 21-cm signal. Nature Astronomy (2025). DOI: https://doi.org/10.1038/s41550-025-02575-x
