Cuando nuestro universo tenía menos de la mitad de la edad que tiene hoy, una ráfaga de energía capaz de hacer una bolsa de palomitas del tamaño del sol salió disparada de algún lugar en medio de un grupo compacto de galaxias. Unos 8.000 millones de años más tarde, las ondas de radio de ese estallido llegaron a la Tierra y fueron captadas por un sofisticado radiotelescopio de baja frecuencia situado en el interior de Australia.

La señal, que llegó el 10 de junio de 2022 y duró menos de medio milisegundo, forma parte de una creciente clase de misteriosas señales de radio denominadas ráfagas de radio rápidas. En los últimos 10 años, los astrónomos han captado casi 5.000 señales parecidas, aunque esta fue particularmente especial: casi el doble de antigua que cualquier otra observada anteriormente, y tres veces y media más enérgica.

Como las ráfagas anteriores, era todo un misterio. Nadie sabe qué causa estas ráfagas rápidas de radio. Aparecen en un patrón aparentemente aleatorio e impredecible por todo el cielo. Algunas aparecen desde el interior de nuestra galaxia, otras desde las profundidades inexploradas del universo. Algunas se repiten en patrones cíclicos durante días y luego desaparecen; otras se repiten cada pocos días desde que las identificamos por primera vez. La mayoría no se repiten nunca.

A pesar del misterio, estas ondas de radio empiezan a resultar extraordinariamente útiles. Cuando nuestros telescopios las detectan, ya han viajado a través de nubes de plasma caliente y ondulante, a través de gas tan difuso que las partículas apenas se tocan entre sí, y a través de nuestra propia Vía Láctea. Cada vez que chocan con los electrones libres que flotan en todo ese material, las ondas se desplazan un poco. Las que llegan a nuestros telescopios llevan consigo una huella de toda la materia ordinaria que han encontrado entre el lugar de donde proceden y donde estamos ahora.

Esto convierte a las ráfagas rápidas de radio, o FRB por sus siglas en inglés, en herramientas inestimablemente útiles para el descubrimiento científico, especialmente para los astrónomos interesados en el gas y el polvo muy difusos que flotan entre las galaxias, de los que sabemos muy poco.

"No sabemos qué son ni qué las provoca. Pero no importa. Ésta es la herramienta que habríamos construido y desarrollado si hubiéramos tenido la oportunidad de jugar a ser Dios y crear el universo", afirma Stuart Ryder, astrónomo de la Universidad Macquarie de Sydney (Australia) y autor principal del artículo de Science en el que se informa del estallido récord.

Muchos astrónomos confían ahora en que el hallazgo de más FRB distantes de este tipo les permitirá crear el mapa cosmológico tridimensional más detallado jamás realizado, algo que Ryder compara con una tomografía computarizada del universo. Incluso hace tan sólo cinco años, la elaboración de un mapa de este tipo podría haber parecido un reto técnico insoluble: detectar un FRB y registrar datos suficientes para determinar su procedencia es extraordinariamente difícil, ya que la mayor parte de ese trabajo debe realizarse en los pocos milisegundos que preceden al paso del estallido.

Pero este reto está a punto de desaparecer. A finales de esta década, una nueva generación de radiotelescopios y tecnologías afines que se pondrán en marcha en Australia, Canadá, Chile, EE UU y otros países transformará la búsqueda de FRB y ayudará a desentrañar lo que pueden decirnos. Lo que antes era una serie de descubrimientos fortuitos se convertirá en algo casi rutinario. Los astrónomos no sólo podrán construir ese nuevo mapa del universo, sino que tendrán la oportunidad de mejorar enormemente nuestra comprensión de cómo nacen las galaxias y cómo cambian con el tiempo.

¿Dónde está la materia?

En 1998, los astrónomos sumaron el peso de toda la materia identificada en el universo y obtuvieron un resultado desconcertante.

Sabemos que aproximadamente el 5% del peso total del universo está formado por bariones, como protones y neutrones, las partículas que forman los átomos, es decir, todas las "cosas" del universo. (El 95% restante incluye energía oscura y materia oscura.) Pero los astrónomos sólo consiguieron localizar un 2,5%, y no un 5%, del total del universo. "Contaron las estrellas, los agujeros negros, las enanas blancas, los objetos exóticos, el gas atómico, el gas molecular de las galaxias, el plasma caliente, etc. Lo sumaron todo y acabaron como mínimo a un factor de dos por debajo de lo que debería haber sido", afirma Xavier Prochaska, astrofísico de la Universidad de California en Santa Cruz (EE UU) y experto en analizar la luz del universo primitivo. "Da un poco de vergüenza. No estamos observando activamente la mitad de la materia del universo".

Todos esos bariones desaparecidos suponían un grave problema para las simulaciones de cómo se forman las galaxias, cómo se estructura nuestro universo y qué ocurre cuando sigue expandiéndose.

Los astrónomos empezaron a especular con la posibilidad de que la materia que faltaba se encontrara en nubes extremadamente difusas de lo que se conoce como medio intergaláctico caliente o WHIM (medio intergaláctico templado-caliente). En teoría, el WHIM contendría todo ese material no observado. Tras la publicación del artículo de 1998, Prochaska se comprometió a encontrarlo.

Pero casi 10 años de su vida y unos 50 millones de dólares (46,5 millones de euros) del dinero de los contribuyentes después, su misión iba muy mal.

La búsqueda se había centrado en gran medida en descifrar la luz de núcleos galácticos distantes y estudiar las emisiones de rayos X de las hebras de gas que conectan las galaxias. El descubrimiento se produjo en 2007, cuando Prochaska estaba sentado en un sofá de una sala de reuniones de la Universidad de California en Santa Cruz (EE UU), revisando nuevos trabajos de investigación con sus colegas. Allí, entre las pilas de trabajos, estaba el artículo que informaba del descubrimiento de la primera FRB.

Duncan Lorimer y David Narkevic, astrónomos de la Universidad de Virginia Occidental (EE UU), habían descubierto la grabación de una onda de radio energética distinta de todo lo observado hasta entonces. La onda duró menos de cinco milisegundos y sus líneas espectrales estaban muy difuminadas y distorsionadas, características inusuales para un pulso de radio que, además, era más brillante y energético que otros fenómenos transitorios conocidos. Los investigadores concluyeron que la onda no podía proceder de nuestra galaxia, lo que significaba que había viajado una distancia desconocida a través del universo.

Tenían en sus manos una señal que había atravesado largas distancias espaciales, había sido moldeada y afectada por electrones a lo largo del camino, y tenía suficiente energía como para ser claramente detectable a pesar de todo lo que había atravesado. No hay ninguna otra señal que podamos detectar actualmente que se produzca comúnmente en todo el universo y que tenga este conjunto exacto de rasgos.

"Lo vi y me dije: «Madre mía, así es como podemos resolver el problema de los bariones desaparecidos»", explica Prochaska. Los astrónomos habían utilizado una técnica similar con la luz de los púlsares -estrellas de neutrones giratorias que emiten radiación desde sus polos- para contar electrones en la Vía Láctea. Pero los púlsares son demasiado tenues para iluminar más partes del universo. Los FRB son miles de veces más brillantes, lo que permite utilizar esta técnica para estudiar el espacio más allá de nuestra galaxia.

Pero hay un problema: para que una FRB sea un indicador de lo que hay en el espacio aparentemente vacío entre las galaxias, los investigadores tienen que saber de dónde procede. Si no se sabe hasta dónde ha viajado la FRB, no se puede hacer ninguna estimación definitiva de cómo es el espacio entre su punto de origen y la Tierra.

Los astrónomos ni siquiera pudieron señalar la dirección de la que procedía la primera FRB de 2007, y mucho menos calcular la distancia que había recorrido. La detectó un enorme radiotelescopio de un solo plato situado en el Observatorio de Parkes (ahora llamado el Murriyang), en Nueva Gales del Sur (Australia), que capta muy bien las ondas de radio entrantes, pero sólo puede localizar las FRB en una zona del cielo tan grande como la Luna llena. Durante la década siguiente, los telescopios siguieron identificando FRB sin proporcionar un origen preciso, algo que las convertía en un misterio fascinante, pero sin utilidad práctica.

Entonces, en 2015, una onda de radio en particular parpadeó... y luego volvió a parpadear. En el transcurso de dos meses de observación desde el telescopio de Arecibo en Puerto Rico, las ondas de radio se repitieron una y otra vez, parpadeando 10 veces. Se trataba de la primera ráfaga repetida de FRB jamás observada (un misterio en sí mismo), y ahora los investigadores tenían la oportunidad de determinar dónde habían comenzado las ondas de radio, aprovechando la oportunidad para localizar su ubicación.

En 2017, eso fue lo que ocurrió. Los investigadores obtuvieron una posición precisa de la ráfaga de radio rápida utilizando el telescopio NRAO de matriz muy grande expandida en el centro de Nuevo México, EE UU. Armados con esa posición, los investigadores luego utilizaron el telescopio óptico Gemini en Hawái (EE UU) para tomar una foto de la ubicación, revelando la galaxia donde había comenzado el FRB y cómo de lejos había viajado. "Fue entonces cuando quedó claro que obtendríamos la distancia de, al menos, algunas de ellas. Fue entonces cuando me involucré de lleno y empecé a redactar propuestas de telescopios", explica Prochaska.

Ese mismo año, astrónomos de todo el mundo se reunieron en Aspen (Colorado, EE UU) para debatir las posibilidades de estudiar las FRB. Los investigadores debatían sobre qué las causaba. ¿Estrellas de neutrones? ¿Los magnetares, estrellas de neutrones con campos magnéticos tan potentes que emiten rayos X y gamma? ¿Fusión de galaxias? ¿Extraterrestres? ¿Tenían orígenes diferentes las FRB que se repetían y las puntuales, o podía haber alguna otra explicación de por qué algunas explosiones se repetían y la mayoría no? ¿Importaba siquiera, ya que todas las explosiones podían utilizarse como sondas independientemente de su causa? En esa reunión de Aspen, Prochaska se reunió con un equipo de radioastrónomos de Australia, entre ellos Keith Bannister, un experto en telescopios que participó en los primeros trabajos para construir una instalación precursora del Square Kilometer Array, una colaboración internacional para construir los mayores conjuntos de radiotelescopios del mundo.

La construcción de ese telescopio precursor, llamado ASKAP, aún estaba en marcha durante esa reunión. Pero Bannister, experto en telescopios de la agencia de investigación científica del Gobierno australiano, CSIRO, creía que podría adaptarse para localizar y observar simultáneamente los FRB.

Bannister y los demás expertos en radio afiliados a ASKAP sabían cómo manipular los radiotelescopios para las exigencias únicas de la caza de FRB; Prochaska era experto en todo lo "no radioeléctrico". Acordaron trabajar juntos para identificar y localizar FRBs puntuales (porque hay muchas más de estas que las que se repiten) y luego utilizar los datos para abordar el problema de los bariones desaparecidos.

Y eso es exactamente lo que hicieron durante los siguientes cinco años. Con un éxito asombroso.

Construir un canal

Para localizar una ráfaga en el cielo, se necesita un telescopio con dos características que tradicionalmente han estado reñidas en radioastronomía: un campo de visión muy amplio y una alta resolución. El gran campo de visión ofrece las máximas posibilidades de detectar una ráfaga fugaz e impredecible. La alta resolución permite determinar en qué parte del campo de visión se encuentra la ráfaga.

ASKAP era el candidato perfecto. Situado en la parte más occidental del interior de Australia, donde el ganado y las ovejas pastan en tierras públicas y la población es escasa y distante entre sí, el telescopio consta de 36 antenas parabólicas, cada una con un gran campo de visión. Estas antenas están separadas por grandes distancias, lo que permite combinar las observaciones mediante una técnica llamada interferometría, de modo que una pequeña porción del cielo puede verse con gran precisión. 

Las antenas aún no se utilizaban oficialmente, pero Bannister tuvo una idea. Las combinó y montó un telescopio con ojos de mosca, apuntando las antenas a diferentes partes del cielo para maximizar su capacidad de detectar algo que pudiera destellar en cualquier parte.

"De repente, parecía que habíamos alcanzado el paraíso", dice Bannister. "Hasta ese momento sólo se habían detectado tres o cuatro FRB, y la gente no estaba del todo segura de si [los FRB] eran reales o no. Nosotros los estábamos encontrando cada dos semanas".

Cuando el interferómetro de ASKAP se puso en línea en septiembre de 2018, comenzó el verdadero trabajo. Bannister diseñó una pieza de software que compara con la repetición en vivo del evento FRB. "Esta cosa pasa, choca con tu telescopio y desaparece, y tienes un milisegundo para obtener su número de teléfono", dice. Para obtenerlo, el software detecta la presencia de una FRB en una centésima de segundo y, a continuación, registra lo anterior para conseguir grabación de los datos del telescopio antes de que el sistema los sobrescriba. Los datos de todas las antenas pueden procesarse y combinarse para reconstruir una vista del cielo y hallar un punto de origen preciso.

El equipo puede entonces enviar las coordenadas a los telescopios ópticos, que pueden tomar imágenes detalladas del lugar para confirmar la presencia de una galaxia, el probable punto de origen de la FRB.

 

El equipo de Ryder utilizó datos sobre el espectro de la galaxia, recogidos en el Observatorio Europeo Austral, para medir cuánto se estiró su luz al atravesar el espacio hasta llegar a nuestros telescopios. Este "desplazamiento al rojo" se convierte en un indicador de la distancia, lo que permite a los astrónomos estimar cuánto espacio ha atravesado la luz de la FRB.

En 2018, la repetición en vivo funcionó por primera vez, convirtiendo a Bannister, Ryder, Prochaska y al resto de su equipo de investigación en los primeros en localizar una FRB que no se estaba repitiendo. Al año siguiente, el equipo había localizado unas cinco. En 2020, publicaron un artículo en Nature en el que declaraban que las FRB les habían permitido contar los bariones que faltaban en el universo.

La base argumental del artículo era algo llamado medida de dispersión, un número que refleja hasta qué punto la luz de un FRB ha sido difuminada por todos los electrones libres a lo largo de nuestra línea de visión. En general, cuanto más lejos viaja un FRB, mayor debe ser la medida de dispersión. Con la distancia recorrida (el desplazamiento al rojo) y la medida de dispersión de varios FRB, los investigadores pudieron extrapolar la densidad total de partículas en el universo. J-P Macquart, autor principal del artículo, cree que la relación entre la medida de dispersión y la distancia de los FRB es predecible y puede aplicarse para cartografiar el universo.

Como líder en este campo y pieza clave en el avance de la investigación sobre FRB, Macquart habría sido entrevistado para este artículo. Pero murió de un ataque al corazón una semana después de la publicación del artículo científico, con 45 años. Los investigadores de FRB empezaron a llamar a la relación entre dispersión y distancia la "relación Macquart", en honor a su memoria y a su impulso de la revolucionaria idea de que las FRB podían utilizarse para la cosmología.

Demostrar que la relación Macquart se mantendría a distancias mayores se convirtió no sólo en una búsqueda científica, sino también emocional.

"Recuerdo que pensé que había descubierto algo sobre el universo que nadie más sabía".

Los investigadores sabían que el telescopio ASKAP era capaz de detectar estallidos a gran distancia, sólo tenían que encontrar uno. Cada vez que el telescopio detectaba una FRB, Ryder se encargaba de ayudar a determinar dónde se había originado. Tardó mucho más de lo que le hubiera gustado. Pero una mañana de julio de 2022, tras muchos meses de frustración, Ryder descargó el correo electrónico con los datos más recientes del Observatorio Europeo Austral y comenzó a hacer scroll por los datos del espectro. Hizo scroll¸y scroll, y scroll... y entonces lo encontró: luz de hace 8.000 millones de años, o un desplazamiento al rojo de uno, simbolizado por dos líneas brillantes muy próximas en la pantalla del ordenador, que mostraban las emisiones ópticas del oxígeno. "Recuerdo que pensé que había descubierto algo sobre el universo que nadie más sabía", dice. "Quería meterme en un Slack y contárselo a todo el mundo, pero luego pensé: «No, simplemente siéntate aquí y deléitate con esto. Ha costado mucho llegar a este punto»".

Con el artículo de Science de octubre de 2023, el equipo básicamente había duplicado la distancia de referencia de la relación Macquart, honrando la memoria de Macquart de la mejor manera que sabían. El salto de distancia fue significativo porque Ryder y los demás miembros de su equipo querían confirmar que su trabajo sería válido incluso para FRB cuya luz procede de tan lejos que refleja un universo mucho más joven. También querían establecer que era posible encontrar FRB a este desplazamiento al rojo, porque los astrónomos

Mapeando la red cósmica

Lo que falta entre las galaxias, que debería contener la mayor parte de la materia del universo, suele denominarse red cósmica. Los gases difusos no flotan sin rumbo, sino que están engarzados más bien como una tela de araña, un complejo tejido de delicados filamentos que se estira a medida que las galaxias en sus nodos crecen y se desplazan. Probablemente, este gas escapó de las galaxias hacia el espacio exterior cuando éstas se formaron, empujado hacia el exterior por explosiones masivas.

"No sabemos cómo el gas entra y sale de las galaxias. Es fundamental para entender cómo se forman y evolucionan las galaxias", afirma Kiyoshi Masui, director del Laboratorio de Radio Sinóptica del MIT (Instituto Tecnológico de Massachusetts, EE UU). "Sólo existimos porque existen las estrellas y, sin embargo, el proceso de construcción de los ladrillos del universo no se conoce bien... Nuestra capacidad para modelizarlo es el gran agujero en nuestra comprensión de cómo funciona el universo".

Los astrónomos también están trabajando para construir mapas a gran escala de las galaxias con el fin de medir con precisión la expansión del universo. Pero el modelado cosmológico que se está llevando a cabo con las FRB debería crear una imagen de los gases invisibles entre las galaxias, una imagen que actualmente no existe. Para construir un mapa tridimensional de este entramado cósmico, los astrónomos necesitarán datos precisos sobre miles de FRB procedentes de regiones cercanas a la Tierra y de muy lejanas, como la FRB de desplazamiento al rojo. "En última instancia, las ráfagas de radio rápidas proporcionarán una imagen muy detallada de cómo se desplaza el gas", afirma Masui. "Para llegar a los datos cosmológicos, las muestras tienen que ser más grandes, pero no mucho más grandes".

Esa es la tarea de Masui, que dirige un equipo que busca FRB mucho más cercanas a nuestra galaxia que las halladas por la colaboración liderada por Australia. El equipo de Masui investiga las FRB con el telescopio CHIME, situado en la Columbia Británica (Canadá), un radiotelescopio no tradicional con un campo de visión muy amplio y reflectores de enfoque que parecen medios tubos en lugar de platos. CHIME (abreviatura en inglés de "Experimento canadiense de mapeado de la intensidad del hidrógeno") no tiene partes móviles y depende menos de los espejos que un telescopio tradicional (enfoca la luz en una sola dirección en lugar de dos), utilizando en su lugar técnicas digitales para procesar sus datos. CHIME puede utilizar su tecnología digital para enfocar muchos lugares a la vez, creando un campo de visión de 200 grados cuadrados, frente a los 30 grados de ASKAP. Masui lo comparó con un espejo que puede enfocar a miles de lugares distintos simultáneamente.

Gracias a este enorme campo de visión, CHIME ha podido recopilar datos sobre miles de estallidos que se encuentran más cerca de la Vía Láctea. Aunque CHIME aún no puede localizar con precisión de dónde proceden de la misma manera que ASKAP (el telescopio es mucho más compacto y ofrece una resolución menor), Masui está liderando los esfuerzos para cambiar esta situación mediante la construcción de tres versiones más pequeñas del mismo telescopio en la Columbia Británica (Canadá), Green Bank (Virginia Occidental, EE UU) y el norte de California (EE UU). Los datos adicionales que proporcionen estos telescopios, el primero de los cuales se recogerá probablemente en algún momento de este año, podrán combinarse con los del telescopio CHIME original para obtener información de localización unas 1.000 veces más precisa. Esto debería ser lo suficientemente detallado como para elaborar mapas cosmológicos.

La tecnología de los telescopios está mejorando tan rápidamente que la tarea de reunir suficientes muestras de FRB de distintas partes del universo para elaborar un mapa cosmológico podría estar terminada en los próximos 10 años. Además del CHIME, el radiotelescopio BURSTT de Taiwán debería entrar en funcionamiento este año; el telescopio CHORD de Canadá, diseñado para superar al CHIME, debería empezar a funcionar en 2025; y el Deep Synoptic Array de California podría transformar el campo de la radioastronomía cuando esté terminado, lo que se espera que ocurra hacia finales de la década.

Y en ASKAP, Bannister está construyendo una nueva herramienta que quintuplicará la sensibilidad del telescopio a partir de este año. Si se imagina meter a un millón de personas viendo simultáneamente vídeos de YouTube sin comprimir en una caja del tamaño de un frigorífico, ésa es probablemente la forma más fácil de visualizar la capacidad de tratamiento de datos de este nuevo procesador, denominado matriz de puertas programable en campo, que Bannister casi ha terminado de programar. Espera que el nuevo dispositivo permita al equipo detectar una nueva FRB cada día.

Con todos los telescopios compitiendo, dice Bannister, "dentro de cinco o diez años, habrá 1.000 nuevos FRB detectados antes de que puedas escribir un artículo sobre el que acabas de encontrar. Estamos en una carrera para hacerlos aburridos".

Prochaska está tan seguro de que los FRB nos darán por fin el mapa cosmológico por el que ha estado trabajando toda su vida que ha empezado a estudiar para licenciarse en oceanografía. Una vez que los astrónomos hayan medido las distancias de 1.000 ráfagas, piensa abandonar por completo el trabajo.

"En una década podríamos tener un mapa cosmológico bastante decente y muy preciso", afirma. "Para eso están los 1.000 FRB. Si no lo conseguimos deberían despedirme".

A diferencia de la mayoría de los científicos, Prochaska puede definir el objetivo final. Sabe que todas esas FRB deberían permitir a los astrónomos trazar un mapa de los gases invisibles del universo, creando una imagen de cómo evolucionan las galaxias a medida que los gases se desplazan hacia el exterior y luego vuelven a caer hacia el interior. Los FRB nos permitirán un entendimiento de la forma del universo que no tenemos hoy en día, aunque el misterio de lo que las crea persista.

Anna Kramer es periodista científica y climática radicada en Washington, DC.