MeerKAT detecta hidrógeno lejano sin un mapa óptico como guía

El hidrógeno que llegó al radiotelescopio MeerKAT después de viajar unos 4.000 a 5.000 millones de años no apareció como un conjunto de galaxias reconocibles. Surgió como un patrón estadístico extremadamente débil, oculto bajo fuentes de radio más brillantes e interferencia producida en la Tierra. El equipo de Sourabh Paul, Zhaoting Chen, Mario G. Santos y Laura Wolz presenta la primera detección directa del autoespectro de potencia de esta señal en el modo interferométrico de mapeo de intensidad, sin un catálogo óptico de galaxias que indicara dónde buscar.

La señal procede de la línea de 21 centímetros del hidrógeno atómico neutro, abreviado H I en radioastronomía. En vez de separar cada galaxia, el mapeo de intensidad suma la emisión de muchas galaxias no resueltas. El espectro de potencia mide cómo se distribuyen las fluctuaciones de esa intensidad entre escalas espaciales; no es una fotografía ni un mapa tridimensional terminado. A estas distancias, las detecciones anteriores dependían sobre todo de correlacionar los datos de radio con estudios ópticos. El nuevo resultado muestra que las observaciones de radio por sí solas contienen información estadística recuperable.

Los investigadores reanalizaron unas 96 horas de observaciones de puesta en servicio realizadas en 2018, repartidas en nueve conjuntos de datos y con al menos 58 antenas. Dividieron la banda L en dos ventanas de unos 46 megahercios, centradas en 1.077,5 y 986 megahercios. Esas frecuencias corresponden a corrimientos al rojo z≈0,32 y z≈0,44: cuanto mayor es el corrimiento, más ha estirado la expansión cósmica la onda y más antigua es la emisión observada. Cada ventana contenía 220 canales de los 4.000 originales, con una resolución de 209 kilohercios.

El problema decisivo era separar el hidrógeno de la interferencia de radiofrecuencia, o RFI, y de los primeros planos astrofísicos. El equipo dividió los datos en muestras de tiempos pares e impares y calculó su potencia cruzada, una estrategia que elimina el sesgo medio del ruido. Después aplicó dos filtros. El método conservador BLF excluyó pares de antenas contaminados antes del cálculo y detectó la señal con 3,2 desviaciones estándar en z≈0,32 y 3,5 en z≈0,44. El método UVDF identificó modos anómalos tras ordenar los datos en el espacio de frecuencia y retardo; al excluir los dos primeros intervalos de escala, más vulnerables a efectos sistemáticos, las significancias fueron 5,9 y 9,18 desviaciones estándar. Estos valores comparan la potencia combinada con su incertidumbre estadística bajo la hipótesis de señal cero; no incorporan automáticamente todo error sistemático posible.

Los dos análisis convergieron, pero la diferencia de significancia muestra cuánto depende la conclusión del control de la contaminación. Las pruebas jackknife, que retiraron cada bloque de observación por turno, no encontraron un bloque dominante. Una prueba nula cruzó las dos bandas de frecuencia, que no deberían compartir la misma señal cosmológica, y quedó compatible con cero. Las simulaciones también indicaron que rellenar los canales eliminados pierde parte de la señal en determinadas direcciones matemáticas, aunque la pérdida estimada quedó por debajo del error de medición en el espectro unidimensional final. Los autores mantienen la RFI débil y de banda ancha como un riesgo.

El artículo de The Astrophysical Journal Letters usa el espectro para explorar modelos de la masa de hidrógeno neutro dentro de halos de materia oscura. Sin embargo, los parámetros quedaron degenerados al comprimir la dependencia direccional en intervalos unidimensionales; las restricciones preliminares necesitaron información externa sobre la densidad cósmica de H I. Por tanto, los datos todavía no miden la energía oscura ni entregan el mapa cosmológico previsto para estudios mayores. Demuestran que un instrumento de 64 antenas puede extraer el trazador sin apoyo óptico, incluso de observaciones que no se recogieron con ese fin.

El Observatorio Sudafricano de Radioastronomía y la Universidad de Manchester anunciaron el resultado el 1 de septiembre; Robert Lea lo examinó en un reportaje publicado por Space.com el 4 de septiembre. Para el futuro Square Kilometre Array, del cual MeerKAT es precursor, el logro y la advertencia son inseparables. Campos más amplios e integraciones más largas podrían convertir esta prueba de concepto en cartografía cósmica, siempre que la próxima generación de análisis controle señales terrestres todavía más débiles.