No existe un telescopio capaz de mostrarnos una fotografía del universo cuando tenía cinco minutos. La luz más antigua que podemos observar directamente apareció mucho después, unos 380.000 años tras el Big Bang, cuando el cosmos se enfrió lo suficiente para hacerse transparente. Pero aquellos primeros minutos dejaron otro tipo de fósil.
Mientras el universo se expandía y enfriaba, protones y neutrones comenzaron a fusionarse y produjeron los primeros núcleos de hidrógeno, deuterio, helio y pequeñas cantidades de litio. NASA sitúa el final de aquella breve etapa, conocida como nucleosíntesis primordial, aproximadamente cinco minutos después del Big Bang.
Ahora, un proyecto que acumuló 130 horas de observaciones con el Large Binocular Telescope de Arizona ha conseguido medir uno de sus productos con una precisión inédita: el helio-4 primordial representaba el 24,58% de la masa de la materia ordinaria, con una incertidumbre de apenas el 0,5%.
Buscaron galaxias tan poco alteradas que todavía conservan la química del universo joven
El problema es que las estrellas llevan 13.800 millones de años fabricando más helio. Si midiéramos una galaxia cualquiera, estaríamos mezclando el helio surgido en los primeros minutos del cosmos con el producido posteriormente dentro de generaciones de estrellas. Por eso el equipo del proyecto LBT Yp buscó regiones extremadamente pobres en elementos pesados.
En astronomía, cualquier elemento más pesado que el helio se considera un “metal”. Cuantos menos metales tiene una región, menos modificada ha sido su composición química por estrellas anteriores y más se acerca al material primordial. Galaxias extremadamente pobres en metales funcionan así como pequeñas cápsulas químicas del universo temprano.
El estudio comenzó con 54 regiones H II observadas de manera uniforme. Tras controles estadísticos y de calidad quedaron 41 mediciones fiables y, dentro de ellas, 15 objetos con una abundancia excepcionalmente baja de oxígeno. Eso permitió hacer algo que los autores consideran crucial: en lugar de observar galaxias más enriquecidas y extrapolar matemáticamente hasta una metalicidad imaginaria de cero, pudieron calcular directamente una media ponderada de esas 15 regiones casi primitivas.
El resultado fue Yp = 0,2458 ± 0,0013. La predicción del modelo estándar de nucleosíntesis, utilizando la densidad de materia bariónica medida por Planck, es 0,2467 ± 0,0002. Ambas cifras encajan extraordinariamente bien.
El helio también funciona como detector de partículas que ya no podemos ver
Aquí es donde una medición aparentemente química se convierte en física fundamental. La cantidad de helio formada dependía de lo rápido que se expandiera el universo. Y esa velocidad estaba determinada, entre otras cosas, por cuánta energía contenía en forma de partículas relativistas.
Si hubieran existido partículas ligeras adicionales (por ejemplo, alguna especie desconocida de neutrino o una forma de “radiación oscura”), habrían acelerado la expansión y alterado la cantidad final de helio.
Al combinar la nueva medición con el deuterio primordial, la nucleosíntesis y el fondo cósmico de microondas, los investigadores obtienen un valor equivalente a 2,925 ± 0,082 especies de neutrinos. No significa que hayan contado literalmente 2,925 neutrinos: es un parámetro cosmológico que mide cuánta radiación relativista estaba presente. El resultado es plenamente compatible con las tres familias conocidas.
Bajo las hipótesis del análisis, cualquier contribución adicional por encima de esas tres familias queda limitada a menos del equivalente a 0,125 especies adicionales con un 95% de confianza.
La gran noticia es que no apareció ninguna anomalía
Puede sonar menos espectacular que descubrir una partícula nueva, pero en cosmología ocurre algo interesante cuando una medición se vuelve tres veces más precisa y sigue dando la respuesta prevista.
La teoría se vuelve más difícil de romper. La abundancia de helio medida en galaxias actuales coincide con una predicción basada en procesos que ocurrieron durante los primeros minutos del universo y también con información que quedó impresa cientos de miles de años después en el fondo cósmico. Dos épocas radicalmente diferentes cuentan prácticamente la misma historia. Y esa coherencia convierte al helio en algo mucho más útil que el segundo elemento de la tabla periódica.
Hace 13.800 millones de años, cuando el universo apenas llevaba cinco minutos funcionando, ya había dejado escrita en su composición química una cifra que seguimos pudiendo leer hoy. Y cuanto mejor la medimos, menos lugares quedan donde esconder una física que todavía no conocemos.
