Aproximadamente 370.000 años después del Big Bang, el Universo experimentó un período al que los cosmólogos se refieren como la «Edad Oscura Cósmica». Durante este período, el Universo quedó oscurecido por un gas neutro omnipresente que oscureció toda la luz visible, haciéndola invisible para los astrónomos. A medida que se formaron las primeras estrellas y galaxias durante los siguientes cientos de millones de años, la radiación que emitieron ionizó este plasma, haciendo que el Universo fuera transparente.
Uno de los mayores misterios cosmológicos en este momento es cuándo comenzó la «reionización cósmica». Para averiguarlo, los astrónomos han estado investigando más profundamente en el cosmos (y más atrás en el tiempo) para detectar las primeras galaxias visibles. Gracias a nueva investigación por un equipo de astrónomos del University College London (UCL), se ha observado una galaxia luminosa que estaba reionizando el medio intergaláctico hace 13 mil millones de años.
La investigación fue presentada la semana pasada (2 de julio) durante la reunión anual de la Sociedad Astronómica Europea (EAS) – Debido a la pandemia, la reunión de este año fue virtual. Durante el curso de su presentación, Romain Meyer (estudiante de doctorado en la UCL y autor principal del estudio) y sus colegas compartieron sus hallazgos, que es la primera evidencia sólida de una galaxia reionizando una burbuja de gas por su cuenta hace 13 mil millones de años. atrás.
El equipo responsable de este descubrimiento estuvo dirigido por Romain Mayer, un doctorado estudiante del Grupo de Astrofísica de la UCL. A él se unieron investigadores de la UCL Dr. Nicolás Laportey Prof. Richard S. Ellisasí como también Profesora Anne Verhamme y Dr. Thibault Garel de la Universidad de Ginebra. Sus hallazgos también son el tema de un documento que se envió recientemente a Los avisos mensuales de la Royal Astronomical Society.
El estudio de las galaxias que existieron durante este período temprano en el Universo es esencial para comprender los orígenes del cosmos, así como su evolución posterior. Según nuestros modelos cosmológicos actuales, las primeras galaxias se formaron a partir de cúmulos estelares coalescentes, que a su vez se formaron cuando se unieron las primeras estrellas del Universo.
Con el tiempo, estas galaxias expulsaron la radiación que despojó al gas neutro en el medio intergaláctico (IGM) de sus electrones (también conocido como el proceso de ionización). Los astrónomos saben esto porque tenemos pruebas claras de ello, en la forma de la Edad Oscura Cósmica y la forma en que el Universo es transparente hoy. Pero las preguntas clave de cómo y cuándo ocurrió todo esto siguen siendo desconocidas. Como le dijo el Dr. Meyer a Universe Today por correo electrónico:
“Al observar galaxias distantes, observamos el Universo primitivo, ya que la luz viajó durante miles de millones de años antes de llegar a nosotros. Esto es fantástico, ya que podemos ver cómo eran las galaxias hace miles de millones de años, pero tiene varios inconvenientes”.
Para empezar, explicó Meyer, los objetos distantes son muy débiles y solo se pueden observar utilizando los telescopios terrestres y espaciales más potentes. A esta distancia, también está el complicado problema del corrimiento al rojo, donde la expansión del cosmos hace que la longitud de onda de la luz de las galaxias distantes se estire hacia el extremo rojo del espectro.
En el caso de las galaxias que tienen varios miles de millones de años, la luz se ha desplazado hasta el punto de que solo es visible en el infrarrojo (en particular, la luz ultravioleta que buscaban Meyer y sus colegas). Para poder ver bien A370p_z1, una galaxia luminosa a 13 mil millones de años luz de distancia, el equipo consultó Usando datos del Campos fronterizos del Hubble programa, que los astrónomos aún están analizando.
Los datos del Hubble sugirieron que esta galaxia estaba muy desplazada hacia el rojo, lo que indica que era particularmente antigua. Luego hicieron observaciones de seguimiento con el Very Large Telescope (VLT) para tener una mejor idea de los espectros de esta galaxia. En particular, buscaron la línea brillante que emite el hidrógeno ionizado, conocida como la línea Lyman-alfa. Meyer dijo:
“La gran sorpresa fue descubrir que esta línea, detectada a 9480 Angstroms, era una línea doble. Esto es extremadamente raro de encontrar en las primeras galaxias, y esta es solo la cuarta galaxia que conocemos que tiene una doble línea Lyman-alfa en los primeros mil millones de años. Lo bueno de las líneas dobles de Lyman-alfa es que puedes usarlas para inferir una cantidad muy importante de galaxias tempranas: qué fracción de fotones energéticos se filtran al medio intergaláctico”.
Otra gran sorpresa fue el hecho de que A370p_z1 parecía estar dejando pasar del 60 % al 100 % de sus fotones ionizados al espacio intergaláctico, y probablemente era responsable de ionizar la burbuja IGM a su alrededor. Las galaxias que están más cerca de la Vía Láctea suelen tener fracciones de escape de alrededor del 5 % (50 % en algunos casos raros), pero las observaciones del IGM indican que las primeras galaxias deben haber tenido una fracción de escape del 10 al 20 % en promedio.
Este descubrimiento fue extremadamente importante porque podría ayudar a resolver un debate en curso en los círculos cosmológicos. Hasta ahora, las preguntas de cuándo y cómo ocurrió la reionización han producido dos escenarios posibles. En uno, era una población de numerosas galaxias débiles que filtraban alrededor del 10% de sus fotones energéticos. En el otro, era una “oligarquía” de galaxias luminosas con un porcentaje mucho mayor (50% o más) de fotones escapados.
En cualquier caso, la evidencia sugiere hasta ahora que las primeras galaxias eran muy diferentes de las actuales. «Descubrir una galaxia con casi el 100% de escape fue realmente bueno porque confirma lo que sospechaban los astrofísicos: las primeras galaxias eran muy diferentes de los objetos actuales y filtraban fotones energéticos de manera mucho más eficiente», dijo Meyer.
Estudiar las galaxias de la era de la reionización para las líneas Lyman-alfa siempre ha sido difícil debido a la forma en que están rodeadas de gas neutro que absorbe esa emisión de hidrógeno característica. Sin embargo, ahora tenemos pruebas sólidas de que la reionización se completó 800 millones de años después del Big Bang, y que probablemente algunas galaxias luminosas fueran las responsables.
Si lo que Meyer y sus colegas observaron es típico de las galaxias de la era de la reionización, entonces podemos suponer que la reionización fue causada por un pequeño grupo de galaxias que crearon grandes burbujas de gas ionizado a su alrededor que crecieron y se superpusieron. Como explicó Meyer, este descubrimiento podría señalar el camino hacia la creación de un nuevo modelo cosmológico que prediga con precisión cómo y cuándo ocurrieron los principales cambios en el Universo primitivo:
Este descubrimiento confirma que las primeras galaxias podrían ser extremadamente eficientes en la fuga de fotones ionizantes, lo cual es una hipótesis importante de nuestra comprensión de la «reionización cósmica»: la época en que el medio intergaláctico, hace 13 mil millones de años, hizo la transición de neutral a ionizado (por ejemplo, los electrones eran átomos de hidrógeno arrancados por estos fotones energéticos).
Según Meyer, es necesario encontrar más objetos como A370p_z1 para que los astrónomos puedan establecer las fracciones de escape promedio de las primeras galaxias. Mientras tanto, el próximo paso será determinar por qué estas primeras galaxias fueron tan eficientes en la fuga de fotones energéticos. Se han sugerido varios escenarios, y obtener una mejor visión del Universo primitivo permitirá a los astrónomos probarlos.
Como Meyer seguramente señalará, mucho de eso dependerá de los telescopios de próxima generación que se llevarán al espacio muy pronto. El más notable de ellos es el Telescopio espacial James Webb (JWST), que (después de múltiples retrasos) todavía está programado para lanzarse en algún momento del próximo año. Aquí radica otra importancia para estudios como estos, que es cómo ayudarán al equipo de James Webb a decidir qué misterios cosmológicos investigar.
“Con el Telescopio Espacial James Webb, haremos un seguimiento de este objetivo más profundo en el infrarrojo para tener acceso a lo que se emitió originalmente en la luz óptica”, dijo Meyer. “Eso nos dará más información sobre los mecanismos físicos en juego en las galaxias tempranas. La misión de JWST está limitada en el tiempo, y es por eso que descubrir estos objetos extremos ahora es tan importante: al saber qué objetos son peculiares o extremos en los primeros mil millones de años de nuestro Universo, ¡sabremos qué mirar cuando finalmente se lance JWST!
Se avecinan tiempos emocionantes para astrónomos, astrofísicos, cazadores de exoplanetas, investigadores de SETI y cosmólogos. Es difícil saber quién debería estar más emocionado, pero algo me dice que sería como preguntarle a un padre a cuál de sus hijos ama más. Inevitablemente, la respuesta es siempre, «¡todos ellos!»
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