El Dark Ages Radio Explorer ( DARE ) es una misión propuesta por la NASA destinada a detectar emisiones de líneas desplazadas al rojo de los primeros átomos de hidrógeno neutro , formados después del Amanecer Cósmico . Las emisiones de estos átomos de hidrógeno neutro, caracterizados por una longitud de onda en reposo de 21 cm y una frecuencia de 1420 MHz, ofrecen información sobre la formación de las primeras estrellas del universo y la época que sucedió a la Edad Oscura cósmica . [1] El orbitador previsto tiene como objetivo investigar el estado del universo desde aproximadamente 80 millones de años hasta 420 millones de años después del Big Bang capturando las emisiones de líneas en sus frecuencias desplazadas al rojo que se originaron en ese período. Se espera que los datos recopilados por esta misión arrojen luz sobre la génesis de las primeras estrellas, el rápido crecimiento de los agujeros negros iniciales, [2] y el proceso de reionización del universo. Además, facilitaría la prueba de modelos computacionales de formación de galaxias . [3] [4] [5] [6] [7] Además, la misión podría hacer avanzar la investigación sobre la desintegración de la materia oscura e informar el desarrollo de telescopios de superficie lunar , mejorando la exploración de exoplanetas alrededor de estrellas próximas. [8]
La época entre la recombinación y la aparición de estrellas y galaxias se denomina la " Edad Oscura cósmica ". En esta era, el hidrógeno neutro predominaba en la composición de la materia del universo . Si bien este hidrógeno aún no se ha observado directamente, los experimentos en curso apuntan a detectar la línea de hidrógeno característica de este período. La línea de hidrógeno surge cuando un electrón en un átomo de hidrógeno neutro pasa de un estado hiperfino a otro, ya sea por excitación a un estado con espines alineados o por desexcitación a medida que los espines pasan de estar alineados a estar antialineados. La diferencia de energía entre estos estados hiperfinos , electronvoltios , equivale a un fotón con una longitud de onda de 21 centímetros. Cuando el hidrógeno neutro alcanza el equilibrio termodinámico con los fotones del fondo cósmico de microondas (CMB), se produce un "acoplamiento", lo que hace que la línea de hidrógeno sea indetectable. La observación de la línea de hidrógeno solo es posible cuando existe una discrepancia de temperatura entre el hidrógeno neutro y el CMB.
Inmediatamente después del Big Bang, el universo se caracterizó por un calor intenso, densidad y una uniformidad casi total . Su posterior expansión y enfriamiento crearon condiciones propicias para la formación nuclear y atómica . Alrededor de 400.000 años después del Big Bang , con un corrimiento al rojo de aproximadamente 1100, el enfriamiento del plasma primordial permitió que los protones y electrones se fusionaran en átomos de hidrógeno neutros, lo que hizo que el universo fuera transparente a medida que los fotones dejaban de interactuar significativamente con la materia . Estos fotones antiguos son detectables en el presente como el fondo cósmico de microondas (CMB). El CMB revela un universo que permaneció liso y homogéneo. [3] [4] [5]
Tras la formación de los átomos de hidrógeno iniciales, el universo estaba compuesto por un medio intergaláctico (MIG) casi totalmente neutro y uniformemente distribuido, compuesto predominantemente de gas hidrógeno. Esta época, desprovista de cuerpos luminosos, se conoce como la Edad Oscura cósmica. Los modelos teóricos predicen que, a lo largo de los siguientes cientos de millones de años, las fuerzas gravitacionales comprimieron gradualmente el gas en regiones más densas, lo que culminó con el surgimiento de las primeras estrellas, un hito conocido como el Amanecer Cósmico. [4] [5]
La formación de estrellas adicionales y el ensamblaje de las primeras galaxias inundaron el universo con fotones ultravioleta , que tenían el potencial de ionizar el gas hidrógeno. Varios cientos de millones de años después del Amanecer Cósmico, las estrellas iniciales emitieron suficientes fotones ultravioleta para reionizar la gran mayoría de los átomos de hidrógeno en el universo. Esta época de reionización significa la transición del IGM de regreso a un estado de ionización casi completa. [4] [5]
Los estudios observacionales aún no han explorado la emergente complejidad estructural del universo. Para estudiar las estructuras más antiguas del universo se necesita un telescopio que supere las capacidades del Telescopio Espacial Hubble . Si bien los modelos teóricos indican que las mediciones actuales están comenzando a examinar la fase final de la Reionización, las estrellas y galaxias iniciales de la Edad Oscura y el Amanecer Cósmico siguen estando fuera del alcance de observación de los instrumentos contemporáneos. [4]
La misión DARE tiene como objetivo realizar mediciones pioneras del origen de las primeras estrellas y agujeros negros, así como determinar las características de poblaciones estelares hasta ahora indetectables. Estas observaciones contextualizarían los datos existentes y mejorarían nuestra comprensión de los procesos de desarrollo de las primeras galaxias a partir de estructuras cósmicas anteriores. [3] [4] [5]
La misión DARE tiene como objetivo analizar el perfil espectral de la señal de 21 cm promediada en el cielo y desplazada al rojo dentro de una banda de radio de 40 a 120 MHz, apuntando al hidrógeno neutro en desplazamientos al rojo entre 11 y 35, correspondientes a un período de 420 a 80 millones de años posteriores al Big Bang. El programa provisional de DARE implica una órbita lunar de 3 años, centrándose en la recopilación de datos sobre el lado oculto de la Luna , una región considerada libre de interferencias de radiofrecuencia creadas por el hombre y de una actividad ionosférica sustancial .
El aparato científico de la misión, fijado a un bus de nave espacial silencioso en cuanto a radiofrecuencia, comprende un sistema de radiómetro de tres partes que incluye una antena dipolar bicónica , cónica y eléctricamente corta , junto con un receptor y un espectrómetro digital. Se prevé que la utilización por parte de DARE de la respuesta de frecuencia suave de la antena y una técnica de calibración espectral diferencial mitiguen los intensos primeros planos cósmicos, facilitando así la detección de la débil señal cósmica de 21 cm.
Además de la misión DARE, se han propuesto otras iniciativas para investigar este campo, como el Precision Array for Probing the Epoch of Reionization (PAPER), el Low Frequency Array (LOFAR), el Murchison Widefield Array (MWA), el Giant Metrewave Radio Telescope (GMRT) y el Large Aperture Experiment to Detect the Dark Ages (LEDA).
Este artículo incorpora material de dominio público del artículo de DARE en Advances in Space Research, actualmente en prensa. Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio .