Según el modelo de cosmología más ampliamente aceptado, el Universo comenzó hace aproximadamente 13.800 millones de años con el Big Bang. A medida que el Universo se enfrió, se formaron las leyes fundamentales de la física (la fuerza electrodébil, la fuerza nuclear fuerte y la gravedad) y los primeros átomos de hidrógeno. 370.000 años después del Big Bang, el Universo estaba impregnado de hidrógeno neutro y muy pocos fotones (la Edad Oscura Cósmica). Durante el «Época de reionizaciónA continuación, se formaron las primeras estrellas y galaxias, reinizando el hidrógeno neutro y haciendo que el Universo se volviera transparente.
Para los astrónomos, la época de la reionización aún guarda muchos misterios, como cuando se formaron ciertos elementos pesados. Esto incluye el elemento carbono, un ingrediente clave en la formación de planetas, un elemento importante en los procesos orgánicos y la base de la vida tal como la conocemos. De acuerdo a un nuevo estudio por el Centro de Excelencia ARC para Astrofísica de Todo el Cielo en 3 Dimensiones (ASTRO 3D), parece que el carbono triplemente ionizado (C iv) existió mucho antes de lo que se pensaba. Sus hallazgos podrían tener implicaciones drásticas para nuestra comprensión de la evolución cósmica.
ASTRO 3D es un esfuerzo de colaboración liderado por la Universidad Nacional de Australia (ANU), que comprende seis universidades australianas y muchos socios internacionales. A ellos se sumaron investigadores de la Observatorio Astronómico de Triesteel Instituto de Física Fundamental del Universo (FIPU), la Instituto Max Planck de Astronomía (MPIA), el Instituto MIT Kavli de Astrofísica e Investigación Espacialel Instituto Kavli de Cosmologíael Instituto Leibniz de Astrofísica Potsdam (AIP), la Observatorio Géminisy el Escuela Normal Superior. El artículo que describía su investigación apareció recientemente en el Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society,
Durante el Universo primitivo, las estrellas jóvenes fusionaron hidrógeno y helio en su interior para crear elementos más pesados (como los metales). A medida que estas estrellas colapsaron y se convirtieron en supernovas, estos elementos se dispersaron por todo el cosmos y se convirtieron en parte de las nubes de polvo y gas cálido que rodean las galaxias (también conocidas como halos galácticos). Al observar el cosmos, los astrónomos usan el C iv en estas nubes («carbono cálido») para rastrear el contenido rico en metales de estos halos para comprender mejor cómo evolucionaron las galaxias.
En estudios anteriores, los astrónomos observaron que la densidad del carbono calentado por la radiación galáctica («carbono cálido») disminuyó lentamente entre aproximadamente 1.300 y 4.000 millones de años después del Big Bang, y luego comenzó a disminuir rápidamente. Sin embargo, nunca se ha entendido la causa de esta repentina recesión. Para su estudio, el equipo se basó en 260 muestras absorbentes de 42 mediciones de espectro obtenidas usando el tirador espectrógrafo de resolución intermedia en el ESO Telescopio muy grande (VLT) en el Observatorio Paranal en Chile.
La mayoría de estas medidas formaban parte de la XQR-30 encuesta heredada, una campaña que observó 30 cuásares de alto corrimiento al rojo a aproximadamente 13 mil millones de años luz de distancia. A medida que la luz de estos cuásares viajó 13 mil millones de años para llegar a nosotros, atravesó los halos que rodeaban las galaxias intermedias. Parte de esta luz se absorbe en el proceso, produciendo espectros que revelan cosas sobre la temperatura y la composición química de los halos. Esto permite a los astrónomos rastrear el desarrollo histórico del Universo.
Estas medidas permitieron al equipo medir la densidad del carbono en los gases que rodean las antiguas galaxias que existieron alrededor de mil millones de años después del Big Bang. A partir de esto, descubrieron que la cantidad de «carbono cálido» aumentó repentinamente por un factor de cinco en solo 300 millones de años. Una posibilidad, sugieren, es que el aumento inicial alrededor de las galaxias se deba simplemente a que había más en el Universo primitivo.
La Dra. Rebecca Davies, investigadora asociada posdoctoral de ASTRO 3D en la Universidad Tecnológica de Swinburne, fue la autora principal del artículo. Como dijo en un reciente ASTRO 3D presione soltar:
“Descubrimos que la fracción de carbono en el gas caliente aumentó rápidamente hace unos 13 mil millones de años, lo que puede estar relacionado con el calentamiento a gran escala del gas asociado con el fenómeno conocido como la ‘Epoca de reionización’. Eso es lo que hemos hecho aquí. Y así, presentamos dos posibles interpretaciones de esta rápida evolución. Durante el período en que se forman las primeras estrellas y galaxias, se forman muchos elementos pesados porque nunca tuvimos carbono antes de tener estrellas”.
Como los astrónomos han entendido durante algún tiempo, las primeras estrellas de nuestro Universo estaban compuestas únicamente de hidrógeno y helio porque los elementos más pesados no existieron hasta después de que la primera generación de estrellas (Población III) se convirtiera en supernova. Las generaciones posteriores (Población I y II) se formaron a partir de nubes de gas que contenían estos elementos, dando lugar a nuevas estrellas con mayores niveles de «metalicidad», que los astrónomos utilizan para medir la edad de las estrellas. Con base en sus resultados, Davies y su equipo consideraron que la misma luz utilizada para caracterizar los halos galácticos también provocó un calentamiento rápido, lo que llevó al aumento observado en
Sin embargo, Davies y su equipo también encontraron que la cantidad de «carbono frío» disminuyó durante el mismo período. Esto sugiere que el carbono experimentó dos fases de evolución, incluido un rápido aumento durante la época de reionización, seguido de una estabilización. Estos hallazgos podrían tener implicaciones significativas para el estudio de la reionización, que es vital para comprender cómo y cuándo las primeras estrellas produjeron los elementos de los que se componen los planetas y toda la vida. Dijo el profesor Ryan-Weber, investigador principal de ASTRO 3D y segundo autor del estudio, esta investigación va al corazón de la misión:
“Aborda este objetivo clave: ¿cómo proliferaron los componentes básicos de la vida, en este caso el carbono, en todo el Universo? Como humanos, nos esforzamos por entender ‘¿de dónde venimos?’ Es increíble pensar que el código de barras de esos átomos de carbono de 13 mil millones de años se imprimió en fotones en un momento en que la Tierra ni siquiera existía. Esos fotones viajaron a través del Universo, hacia el VLT, y luego se usaron para desarrollar una imagen de la evolución del Universo”.
Este estudio también aumentó la cantidad de cuásares para los que existen datos de alta calidad de 12 a 42, lo que finalmente permitió una medición detallada y precisa de la densidad del carbono. También demostró la efectividad de los telescopios del Observatorio Paranal y su avanzada conjunto de espectrógrafos. Pero quizás lo más interesante es la forma en que estos hallazgos anticipan lo que los astrónomos verán cuando los telescopios de la próxima generación comiencen a sondear el Universo primitivo para determinar cuándo y cómo surgieron todos sus componentes básicos.
“El estudio proporciona un conjunto de datos heredados que no mejorarán significativamente hasta que los telescopios de clase 30m entren en funcionamiento hacia fines de esta década”, dijo el profesor Ryan-Weber. “Los datos de alta calidad de incluso antes en el Universo requerirán acceso a telescopios como el Telescopio extremadamente grande (ELT) ahora en construcción en Chile”.
“Nuestros resultados son consistentes con estudios recientes que muestran que la cantidad de hidrógeno neutro en el espacio intergaláctico disminuye rápidamente al mismo tiempo”, agregó Davies. “Esta investigación también allana el camino para futuras investigaciones con el Matriz de kilómetros cuadrados (SKA), que tiene como objetivo detectar directamente la emisión de hidrógeno neutro durante esta fase clave de la historia del Universo”.
