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Cómo se midió el helio del Big Bang con una precisión del 0,5 %

El LBT Yp Project midió el helio forjado en los primeros minutos del universo: Yp = 0,2458 ± 0,0013. Así funciona la medición, por qué coincide con las predicciones basadas en Planck y qué dice sobre partículas adicionales similares a neutrinos.

By Rowan Ashby Published 21.10.26 08:32 UTC 10 min read

La cúpula del Gran Telescopio Binocular en una cumbre boscosa de las montañas Pinaleño, en Arizona, vista a distancia — Wars / Wikimedia Commons / CC BY-SA 3.0 · Source

Puntos clave

El LBT Y_p Project, un equipo dirigido por astrónomos de la Universidad de Minnesota y la Universidad Estatal de Ohio, informa una fracción de masa de helio-4 primordial de Y_p = 0,2458 ± 0,0013. Es una precisión de alrededor del 0,5 %, que el equipo describe como la determinación más precisa hasta la fecha.
El valor procede de espectros de regiones de formación estelar pobres en metales observadas con el Gran Telescopio Binocular (LBT) en Arizona. El promedio final usa 15 objetivos de baja metalicidad.
Coincide con la predicción estándar del Big Bang, Y_p = 0,2467 ± 0,0002, que se calcula a partir de la densidad bariónica medida por el satélite Planck.
Combinado con datos de deuterio y del fondo cósmico de microondas (CMB), el resultado restringe el número de especies ligeras similares a neutrinos en el universo temprano a N_ν = 2,925 ± 0,082. Esto es coherente con los tres tipos de neutrinos del Modelo Estándar.
Los trabajos se publicaron como una serie de cinco artículos en The Astrophysical Journal en septiembre de 2026, y sitios de divulgación científica han vuelto a destacar el resultado recientemente.

El helio, un fósil de los primeros minutos

Casi todos los átomos de hidrógeno del universo, y la mayor parte de su helio, datan de los primeros minutos después del Big Bang. El proceso que los formó se llama nucleosíntesis primordial o del Big Bang (BBN, por sus siglas en inglés). A medida que el universo temprano, caliente y denso, se expandía y enfriaba, los protones y neutrones se combinaron en los núcleos más ligeros: deuterio, helio-3, helio-4 y una traza de litio. Los elementos más pesados, como el carbono y el oxígeno, llegaron mucho después, de las estrellas.

El helio-4 es el producto principal. En el cuadro estándar, revisado por Richard Cyburt, Brian Fields, Keith Olive y Tsung-Han Yeh en Reviews of Modern Physics, aproximadamente una cuarta parte de la masa de la materia ordinaria terminó como helio-4. Los astrónomos llaman a esta fracción de masa Y_p, donde la "p" significa primordial. Según un resumen de la Universidad Estatal de Ohio sobre el nuevo trabajo, cerca del 90 % del helio del universo actual se produjo en el Big Bang. El 10 % restante lo han añadido las estrellas a lo largo de unos 13.500 millones de años.

La fracción de helio depende sobre todo de cuántos neutrones había cuando por fin pudieron formarse los núcleos. Al principio, neutrones y protones se transformaban constantemente unos en otros mediante reacciones nucleares débiles. Aproximadamente en el primer segundo, el universo se enfrió lo suficiente como para que esas reacciones ya no pudieran seguir el ritmo de la expansión. La proporción entre neutrones y protones se "congeló" entonces en alrededor de un neutrón por cada seis protones. Los neutrones libres se desintegran, así que la proporción siguió bajando lentamente hasta que los núcleos empezaron a formarse unos minutos después. Casi todos los neutrones supervivientes quedaron atrapados en el helio-4. Por eso Y_p funciona como un cronómetro del primer segundo de la historia cósmica.

Por qué el helio es sensible a nuevas partículas

El momento de ese congelamiento depende de la rapidez con que se expandía el universo. La tasa de expansión, a su vez, depende de la energía total contenida en partículas ligeras y rápidas: fotones, los tres tipos conocidos de neutrinos y cualquier "radiación oscura" desconocida. Si se añade una especie ligera adicional, el universo se expande más rápido. El congelamiento ocurre entonces antes, cuando quedan más neutrones, y se produce más helio. Los físicos resumen esto con un parámetro para el número efectivo de especies similares a neutrinos, escrito N_ν o N_eff. El Modelo Estándar de la física de partículas tiene tres. Una medición precisa del helio permite, por tanto, comprobar si había algo más presente un segundo después del Big Bang.

Cómo lo midió el equipo del LBT

El helio primordial no puede observarse directamente, porque las estrellas han ido añadiendo helio desde entonces. Por eso los astrónomos buscan gas que haya sido procesado lo menos posible: nubes de hidrógeno ionizado (regiones H II) en galaxias pequeñas y débiles que contienen muy pocos elementos pesados. Los astrónomos usan el oxígeno como trazador de estos "metales". Un gas con muy poco oxígeno ha experimentado poca formación estelar, así que su contenido de helio debería estar cerca del valor primordial.

En el cuarto artículo de la serie, Erik Aver, Evan Skillman, Richard Pogge y sus colegas describen cómo obtuvieron espectros homogéneos de 54 regiones H II pobres en metales con el LBT, en el monte Graham, Arizona. El telescopio lleva dos espejos de 8,4 metros sobre una sola montura. El equipo utilizó dos de sus instrumentos:

MODS (Multi-Object Double Spectrographs) registró líneas de emisión ópticas y del infrarrojo cercano de hidrógeno y helio.
LUCI, un espectrógrafo de infrarrojo cercano, midió la línea de helio a 10.830 ángstroms. Esa línea es especialmente sensible a la densidad del gas, lo que ayuda a precisar las condiciones de cada nube.

Según un comunicado de la Universidad de Minnesota, el proyecto utilizó 130 horas de tiempo de observación en el LBT.

Convertir el brillo de las líneas en una abundancia de helio es la parte difícil. El equipo ajustó nueve parámetros físicos para cada objetivo a la vez, entre ellos la temperatura electrónica, la densidad electrónica, el enrojecimiento por polvo, la profundidad óptica de las líneas de helio y la absorción estelar bajo las líneas de emisión. Después descartó los objetivos con ajustes deficientes o cuyos espectros mostraban señales de alerta. Entre esas señales figuraban rasgos estelares inusuales, una profundidad óptica muy alta o mediciones de temperatura que no concordaban. De las 54 regiones, 47 superaron un corte estadístico de bondad de ajuste y 41 quedaron tras la depuración.

Los estudios anteriores solían representar el helio frente al oxígeno y extrapolar la tendencia hasta oxígeno cero. En este análisis, los autores sostienen que sus 15 objetivos de menor metalicidad y mayor relación señal-ruido están lo bastante cerca de ser prístinos como para que un promedio ponderado de esos 15 esté "well-justified and produces a robust result" (bien justificado y produzca un resultado robusto). El resultado es Y_p = 0,2458 ± 0,0013.

Las cifras, lado a lado

Magnitud	Valor	Fuente
Helio primordial, LBT Y_p Project (nuevo)	0,2458 ± 0,0013 (≈0,5 %)	Aver et al., LBT Y_p Project IV
Helio primordial, mejor valor previo por líneas de emisión	0,2448 ± 0,0033 (≈1,3 %)	Aver et al. 2022, citado en el artículo IV
Predicción de la BBN estándar con la densidad bariónica de Planck	0,2467 ± 0,0002	Citado en el artículo IV
Incertidumbre de Y_p solo con datos del CMB	≈5,4 %	Citado en el artículo IV
Densidad bariónica Ω_bh², Planck 2018	0,0224 ± 0,0001	Planck Collaboration 2018
Densidad bariónica Ω_Bh², BBN + helio + deuterio (estándar, N_ν = 3)	0,02236 ± 0,00014	Yeh et al., LBT Y_p Project V
Razón bariones/fotones η (BBN estándar)	(6,120 ± 0,038) × 10⁻¹⁰	Yeh et al., artículo V
Número de especies ligeras N_ν (con variación libre)	2,925 ± 0,082	Yeh et al., artículo V
Límite superior de especies adicionales ΔN_ν (para N_ν ≥ 3)	≤ 0,125 con un 95 % de confianza	Yeh et al., artículo V
N_eff, Planck 2018 + BAO	2,99 ± 0,17	Planck Collaboration 2018

La tabla recoge valores de investigación publicados. No cambian con el tiempo, por lo que no se aplica una marca temporal de "datos a fecha de".

Por qué coincide con la predicción basada en Planck

En la BBN estándar con tres tipos de neutrinos, las abundancias de los elementos ligeros dependen de un número principal: cuántos bariones (protones y neutrones) hay por cada fotón. El satélite Planck midió ese número de forma independiente a partir del fondo cósmico de microondas, la luz liberada unos 400.000 años después del Big Bang. Al introducir la densidad bariónica de Planck en los cálculos de la BBN, se predice Y_p = 0,2467 ± 0,0002.

El valor del LBT, 0,2458 ± 0,0013, difiere de esa predicción en 0,0009. Es menos de una desviación estándar de la medición. En el quinto artículo, Tsung-Han Yeh, Keith Olive, Brian Fields y sus coautores combinan el valor del helio con la medición más reciente del deuterio primordial y con datos del CMB. Encuentran que la densidad bariónica obtenida de los elementos del universo temprano, Ω_Bh² = 0,02236 ± 0,00014, coincide con el valor de Planck, 0,0224 ± 0,0001. Los autores escriben que sus resultados "demonstrate consistency with the Standard Model of particle physics" (demuestran coherencia con el Modelo Estándar de la física de partículas) y con el cuadro estándar que vincula la BBN, alrededor de un segundo después del Big Bang, con el CMB unos 400.000 años más tarde.

Esa concordancia importa porque las dos sondas son independientes. El helio se mide en galaxias enanas cercanas con espectrógrafos. La densidad bariónica se mide a partir de los patrones de temperatura de la luz más antigua del cielo. Física, instrumentos y equipos distintos llegan a la misma imagen de los primeros minutos del universo.

Qué dice sobre partículas adicionales similares a neutrinos

Muchas extensiones propuestas del Modelo Estándar incluyen nuevas partículas ligeras, como neutrinos estériles, partículas tipo axión o un "sector oscuro" con su propia radiación. Si esas partículas hubieran sido abundantes durante la BBN, habrían acelerado la expansión y elevado la fracción de helio.

Cuando el artículo V deja variar el número de especies ligeras, los datos dan N_ν = 2,925 ± 0,082. Eso es coherente con tres. Si se asume que existen al menos los tres neutrinos conocidos, cualquier contribución adicional queda limitada a ΔN_ν ≤ 0,125 con un 95 % de confianza. A modo de comparación, Planck 2018 combinado con datos de oscilaciones acústicas de bariones da N_eff = 2,99 ± 0,17. Ambas cifras describen épocas ligeramente distintas, pero la restricción basada en el helio es más estricta.

Un preprint de seguimiento publicado en septiembre de 2026 por Marilena Loverde, Murali Saravanan y Zachary Weiner, que aún no ha pasado revisión por pares, explora las consecuencias. Sostiene que el valor del LBT permite a los cosmólogos analizar los datos del CMB sin suponer una BBN estándar, casi sin perder precisión. También informa que la medición descarta la mayoría, aunque no todos, de los modelos no estándar que los autores pusieron a prueba, incluidos algunos propuestos para aliviar la "tensión de Hubble". Señala además un vínculo indirecto con el enigma de la vida media del neutrón, en el que dos tipos de experimentos de laboratorio discrepan. El preprint encuentra que el resultado del helio es coherente con los experimentos de "botella" y queda 2,4 desviaciones estándar por debajo de los experimentos de "haz".

Salvedades y preguntas abiertas

Dominan los efectos sistemáticos. Los autores señalan como principales riesgos la absorción estelar bajo las líneas de helio, la transferencia radiativa en nubes densas y las estimaciones de temperatura discordantes. Los objetivos afectados por estos factores se marcaron o se excluyeron.
Selección de la muestra. El valor final se basa en 15 objetivos. Las descripciones públicas difieren en cómo cuentan la muestra. El comunicado de la Universidad Estatal de Ohio habla de 48 muestras de alta calidad, mientras que el artículo informa de 54 observadas, 47 tras el corte de ajuste y 41 tras la depuración. Conviene atenerse a las cifras del propio artículo.
Física atómica. El análisis usa emisividades actualizadas de helio e hidrógeno y nuevos cálculos de transferencia radiativa. Futuras revisiones de los datos atómicos podrían desplazar ligeramente el valor.
El litio sigue siendo un enigma. La revisión de la BBN de Cyburt y sus colegas señala que el litio-7 predicho sigue sin coincidir con las observaciones. El resultado del helio no resuelve esa tensión.

Los investigadores presentaron el resultado en términos contundentes. "Prometimos una incertidumbre de medio por ciento en nuestra propuesta, y lo conseguimos", dijo Evan Skillman, de la Universidad de Minnesota, en el comunicado de la universidad. Richard Pogge, de la Universidad Estatal de Ohio, afirmó que el equipo había "aprendido algo fundamental sobre el universo".

Qué significa

Para la cosmología, la medición del LBT convierte el helio de una comprobación de coherencia poco exigente en una herramienta de precisión. Un valor del 0,5 % lo hace unas tres veces más preciso que la mejor estimación anterior por líneas de emisión. También es aproximadamente diez veces más preciso de lo que los datos actuales del CMB pueden lograr por sí solos. El resultado respalda el modelo estándar del universo temprano: tres tipos de neutrinos, una densidad bariónica que coincide con Planck y ninguna señal clara de radiación adicional en la marca del primer segundo.

Para la física de partículas, el límite más estricto a las especies ligeras adicionales reduce el margen para nuevas partículas que habrían sido abundantes durante la BBN. Las teorías que predicen ese tipo de partículas deben encajar ahora en un margen más estrecho. El preprint de Loverde va más allá. Estima que, en los casos estudiados por los autores, los futuros sondeos del CMB mejorarían la restricción del helio del LBT solo de forma modesta, no más de aproximadamente un factor de dos.

Lo que sigue sin saberse es si errores sistemáticos aún no identificados en la espectroscopía de nebulosas podrían mover el valor. Las comprobaciones independientes serán importantes, tanto desde otros telescopios como desde futuros sondeos del CMB de alta resolución capaces de medir el helio directamente. Por ahora, mediciones independientes realizadas con métodos muy distintos apuntan a la misma respuesta.

Preguntas frecuentes

¿Qué es la abundancia de helio primordial?

Es la fracción de la masa de la materia ordinaria que se convirtió en helio-4 durante la nucleosíntesis del Big Bang, en los primeros minutos tras el Big Bang. El LBT Yp Project la mide en Yp = 0,2458 ± 0,0013, es decir, aproximadamente una cuarta parte de la masa.

¿Cómo midieron los astrónomos el helio del Big Bang?

Tomaron espectros de nubes de gas ionizado en galaxias pequeñas con muy pocos elementos pesados, usando los instrumentos MODS y LUCI del Gran Telescopio Binocular en Arizona. Modelaron las líneas de emisión de hidrógeno y helio y promediaron los 15 objetivos más prístinos y de mayor calidad.

¿El nuevo valor concuerda con la teoría del Big Bang?

Sí. La nucleosíntesis estándar del Big Bang, con la densidad bariónica medida por el satélite Planck, predice Yp = 0,2467 ± 0,0002. El valor medido, 0,2458 ± 0,0013, está dentro de una desviación estándar de esa predicción.

¿Qué dice el resultado sobre neutrinos adicionales?

Combinado con datos de deuterio y del fondo cósmico de microondas, el resultado da N_nu = 2,925 ± 0,082 especies ligeras, coherente con los tres tipos de neutrinos conocidos. Cualquier contribución adicional queda limitada a un máximo de 0,125 con un 95 % de confianza, suponiendo al menos tres especies.

¿Dónde se publicó la investigación?

Los resultados del LBT Yp Project aparecieron como una serie de cinco artículos en The Astrophysical Journal en septiembre de 2026. Los preprints de los artículos principales están en arXiv con los números 2601.22238 y 2601.22239.