Los descubrimientos cósmicos alimentan una lucha por los comienzos del universo
La luz de las primeras galaxias despeja el universo. Crédito de la imagen: ESO/L. CALÇADA
No mucho después del Big Bang, todo se oscureció. El gas de hidrógeno que invadió el universo primitivo habría apagado la luz de las primeras estrellas y galaxias del universo. Durante cientos de millones de años, incluso el valor de estrellas de una galaxia -o faros impensablemente brillantes como los creados por los agujeros negros supermasivos- habría sido casi invisible.
Finalmente, esta niebla se quemó cuando la luz ultravioleta de alta energía rompió los átomos en un proceso llamado reionización. Pero las preguntas de cómo ocurrió exactamente esto -quienes objetos celestiales impulsaron el proceso y cuántos de ellos eran necesarios- han consumido a los astrónomos durante décadas.
Ahora, en una serie de estudios, los investigadores han buscado más en el universo primitivo que nunca antes. Han utilizado las galaxias y la materia oscura como una lente cósmica gigante para ver algunas de las primeras galaxias conocidas, iluminando cómo estas galaxias podrían haber disipado la niebla cósmica. Además, un equipo internacional de astrónomos ha encontrado decenas de agujeros negros supermasivos-cada uno con la masa de millones de soles- iluminando el universo primitivo. Otro equipo ha encontrado evidencia de que los agujeros negros supermasivos existían cientos de millones de años antes de que alguien creyera posible. Los nuevos descubrimientos deben dejar claro cuánto los agujeros negros contribuyeron a la reionización del universo, incluso cuando han abierto preguntas sobre cómo estos agujeros negros supermasivos pudieron formar tan temprano en la historia del universo.
Primera luz
En los primeros años después del Big Bang, el universo estaba demasiado caliente para permitir que los átomos se formaran. Protones y electrones volaron alrededor, dispersando cualquier luz. Luego, después de unos 380.000 años, estos protones y electrones se enfriaron lo suficiente como para formar átomos de hidrógeno, que se fusionaron en estrellas y galaxias durante los siguientes cientos de millones de años.
La luz de las estrellas de estas galaxias habría sido brillante y enérgica, con muchas de ellas cayendo en la parte ultravioleta del espectro. Cuando esta luz voló hacia el universo, se encontró con más gas hidrógeno. Estos fotones de luz romperían el gas de hidrógeno, contribuyendo a la reionización, pero al hacerlo, el gas apagó la luz.
Las épocas obscuras. Crédito de la imagen: LUCY READING-IKKANDA/QUANTA MAGAZINE
Para encontrar estas estrellas, los astrónomos tienen que buscar la parte no ultravioleta de su luz y extrapolar desde allí. Pero esta luz no ultravioleta es relativamente tenue y difícil de ver sin ayuda.
Un equipo dirigido por Rachael Livermore, un astrofísico de la Universidad de Texas en Austin, encontró sólo la ayuda necesaria en forma de una lente cósmica gigante. Estas llamadas lentes gravitacionales se forman cuando un cúmulo de galaxias, lleno de materia oscura masiva, dobla el espacio-tiempo para enfocar y magnificar cualquier objeto en el otro lado de él. Livermore utilizó esta técnica con imágenes del Telescopio Espacial Hubble para detectar galaxias extremadamente débiles desde 600 millones de años después del Big Bang, justo en el grueso de la reionización.
En un artículo reciente que apareció en The Astrophysical Journal, Livermore y sus colegas también calcularon que si se añaden galaxias como éstas a las galaxias anteriormente conocidas, entonces las estrellas deberían ser capaces de generar suficiente luz ultravioleta intensa para reionizar el universo.
Sin embargo, hay una trampa. Los astrónomos que hacen este trabajo tienen que estimar cuánto de la luz ultravioleta de una estrella escapó de su galaxia doméstica (que está llena de gas hidrógeno que bloquea la luz) para salir al universo más ancho y contribuir a la reionización. Esa estimación — la llamada fracción de escape — crea una enorme incertidumbre que Livermore se apresura a reconocer.
Además, no todos creen los resultados de Livermore. Rychard Bouwens, astrofísico de la Universidad de Leiden en Holanda, argumenta en un artículo presentado a The Astrophysical Journal que Livermore no restableció adecuadamente la luz de los racimos de galaxias que componen la lente gravitatoria. Como resultado, dijo, las galaxias distantes no son tan débiles como lo afirman Livermore y sus colegas, y los astrónomos no han encontrado suficientes galaxias para concluir que las estrellas ionizaron el universo.
Si las estrellas no pudieran hacer el trabajo, tal vez los agujeros negros supermasivos podrían. De tamaño bestial, hasta mil millones de veces la masa del sol, los agujeros negros supermasivos devoran la materia. Lo tiran hacia ellos y lo calientan, un proceso que emite mucha luz y crea objetos luminosos que llamamos quásares. Debido a que los quasares emiten más radiación ionizante que las estrellas, podrían reionizar en teoría el universo.
El truco es encontrar suficientes cuásares para hacerlo. En un artículo publicado en el sitio científico de preprint arxiv.org el mes pasado, los astrónomos que trabajan con el Telescopio Subaru anunciaron el descubrimiento de 33 quásares que son alrededor de un 10 como brillantes como los identificados anteriormente. Con tan débiles cuásares, los astrónomos deberían poder calcular cuánto luz ultravioleta emiten estos agujeros negros supermasivos, dijo Michael Strauss, astrofísico de la Universidad de Princeton y miembro del equipo. Los investigadores aún no han hecho el análisis, pero esperan publicar los resultados en los próximos meses.
El telescopio Subaru (centro) en la cumbre de Mauna Kea en Hawaii. Crédito de la imagen: NATIONAL ASTRONOMICAL OBSERVATORY OF JAPAN (NAOJ)
El más antiguo de estos cuásares se remonta a alrededor de mil millones de años después del Big Bang, que parece acerca de cuánto tiempo tomaría los agujeros negros ordinarios para devorar suficiente materia para aumentar hasta el estado supermassivo.
Es por eso que otro descubrimiento reciente es tan desconcertante. Un equipo de investigadores liderado por Richard Ellis, un astrónomo del Observatorio Europeo Austral, observaba una brillante galaxia que formaba las estrellas, ya que fue tan sólo 600 millones de años después del Big Bang. El espectro de la galaxia -un catálogo de luz por longitud de onda — parecía contener una firma de nitrógeno ionizado. Es difícil ionizar el hidrógeno ordinario, e incluso más difícil de ionizar el nitrógeno. Requiere más luz ultravioleta de mayor energía que las estrellas. Por lo tanto, otra fuente fuerte de radiación ionizante, posiblemente un agujero negro supermasivo, tenía que existir en este momento, dijo Ellis.
Un agujero negro supermasivo en el centro de una galaxia que forma una estrella temprana podría ser un atípico. No significa que hubo suficientes para reionizar el universo. Así que Ellis ha comenzado a mirar otras galaxias tempranas. Su equipo ahora tiene pruebas provisionales de que los agujeros negros supermasivos estaban situados en los centros de otras galaxias masivas formadoras de estrellas en el universo primitivo. El estudio de estos objetos podría ayudar a aclarar lo que reionizó el universo e iluminar cómo los agujeros negros supermasivos se formaron en absoluto. "Esa es una posibilidad muy emocionante", dijo Ellis.
El Telescopio Espacial James Webb, visto aquí dentro de una sala limpia en el Goddard Space Flight Center de la NASA, ha sido diseñado para capturar la luz de las primeras galaxias que se formaron en el universo primitivo. Crédito de la imagen: NASA
Todo este trabajo comienza a converger en una explicación relativamente sencilla de lo que reionizó el universo. La primera población de estrellas jóvenes y calientes probablemente inició el proceso y luego lo impulsó durante cientos de millones de años. Con el tiempo, estas estrellas murieron; Las estrellas que las reemplazaron no eran tan brillantes y calientes. Pero en este punto de la historia cósmica, los agujeros negros supermasivos tenían tiempo suficiente para crecer y podían comenzar a tomar el control. Investigadores como Steve Finkelstein, un astrofísico de la Universidad de Texas en Austin, están utilizando los últimos datos observacionales y simulaciones de la actividad galáctica temprana para probar los detalles de este escenario, tales como cuántas estrellas y agujeros negros contribuyen al proceso en tiempos diferentes.
Su trabajo — y todo trabajo que involucre los primeros mil millones de años del universo —recibirá un impulso en los próximos años después del lanzamiento en 2018 del Telescopio Espacial James Webb, el sucesor de Hubble, que ha sido explícitamente diseñado para encontrar los primeros objetos del universo. Sus resultados probablemente provocarán muchas más preguntas, también.
Historia original reimpresa con el permiso de la revista Quanta, una publicación editorialmente independiente de la Fundación Simons cuya misión es mejorar la comprensión pública de la ciencia, cubriendo los desarrollos de investigación y las tendencias en matemáticas y las ciencias físicas y de la vida.
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La luz de las primeras galaxias despeja el universo. Crédito de la imagen: ESO/L. CALÇADA
No mucho después del Big Bang, todo se oscureció. El gas de hidrógeno que invadió el universo primitivo habría apagado la luz de las primeras estrellas y galaxias del universo. Durante cientos de millones de años, incluso el valor de estrellas de una galaxia -o faros impensablemente brillantes como los creados por los agujeros negros supermasivos- habría sido casi invisible.
Finalmente, esta niebla se quemó cuando la luz ultravioleta de alta energía rompió los átomos en un proceso llamado reionización. Pero las preguntas de cómo ocurrió exactamente esto -quienes objetos celestiales impulsaron el proceso y cuántos de ellos eran necesarios- han consumido a los astrónomos durante décadas.
Ahora, en una serie de estudios, los investigadores han buscado más en el universo primitivo que nunca antes. Han utilizado las galaxias y la materia oscura como una lente cósmica gigante para ver algunas de las primeras galaxias conocidas, iluminando cómo estas galaxias podrían haber disipado la niebla cósmica. Además, un equipo internacional de astrónomos ha encontrado decenas de agujeros negros supermasivos-cada uno con la masa de millones de soles- iluminando el universo primitivo. Otro equipo ha encontrado evidencia de que los agujeros negros supermasivos existían cientos de millones de años antes de que alguien creyera posible. Los nuevos descubrimientos deben dejar claro cuánto los agujeros negros contribuyeron a la reionización del universo, incluso cuando han abierto preguntas sobre cómo estos agujeros negros supermasivos pudieron formar tan temprano en la historia del universo.
Primera luz
En los primeros años después del Big Bang, el universo estaba demasiado caliente para permitir que los átomos se formaran. Protones y electrones volaron alrededor, dispersando cualquier luz. Luego, después de unos 380.000 años, estos protones y electrones se enfriaron lo suficiente como para formar átomos de hidrógeno, que se fusionaron en estrellas y galaxias durante los siguientes cientos de millones de años.
La luz de las estrellas de estas galaxias habría sido brillante y enérgica, con muchas de ellas cayendo en la parte ultravioleta del espectro. Cuando esta luz voló hacia el universo, se encontró con más gas hidrógeno. Estos fotones de luz romperían el gas de hidrógeno, contribuyendo a la reionización, pero al hacerlo, el gas apagó la luz.
Las épocas obscuras. Crédito de la imagen: LUCY READING-IKKANDA/QUANTA MAGAZINE
Para encontrar estas estrellas, los astrónomos tienen que buscar la parte no ultravioleta de su luz y extrapolar desde allí. Pero esta luz no ultravioleta es relativamente tenue y difícil de ver sin ayuda.
Un equipo dirigido por Rachael Livermore, un astrofísico de la Universidad de Texas en Austin, encontró sólo la ayuda necesaria en forma de una lente cósmica gigante. Estas llamadas lentes gravitacionales se forman cuando un cúmulo de galaxias, lleno de materia oscura masiva, dobla el espacio-tiempo para enfocar y magnificar cualquier objeto en el otro lado de él. Livermore utilizó esta técnica con imágenes del Telescopio Espacial Hubble para detectar galaxias extremadamente débiles desde 600 millones de años después del Big Bang, justo en el grueso de la reionización.
En un artículo reciente que apareció en The Astrophysical Journal, Livermore y sus colegas también calcularon que si se añaden galaxias como éstas a las galaxias anteriormente conocidas, entonces las estrellas deberían ser capaces de generar suficiente luz ultravioleta intensa para reionizar el universo.
Sin embargo, hay una trampa. Los astrónomos que hacen este trabajo tienen que estimar cuánto de la luz ultravioleta de una estrella escapó de su galaxia doméstica (que está llena de gas hidrógeno que bloquea la luz) para salir al universo más ancho y contribuir a la reionización. Esa estimación — la llamada fracción de escape — crea una enorme incertidumbre que Livermore se apresura a reconocer.
Además, no todos creen los resultados de Livermore. Rychard Bouwens, astrofísico de la Universidad de Leiden en Holanda, argumenta en un artículo presentado a The Astrophysical Journal que Livermore no restableció adecuadamente la luz de los racimos de galaxias que componen la lente gravitatoria. Como resultado, dijo, las galaxias distantes no son tan débiles como lo afirman Livermore y sus colegas, y los astrónomos no han encontrado suficientes galaxias para concluir que las estrellas ionizaron el universo.
Si las estrellas no pudieran hacer el trabajo, tal vez los agujeros negros supermasivos podrían. De tamaño bestial, hasta mil millones de veces la masa del sol, los agujeros negros supermasivos devoran la materia. Lo tiran hacia ellos y lo calientan, un proceso que emite mucha luz y crea objetos luminosos que llamamos quásares. Debido a que los quasares emiten más radiación ionizante que las estrellas, podrían reionizar en teoría el universo.
El truco es encontrar suficientes cuásares para hacerlo. En un artículo publicado en el sitio científico de preprint arxiv.org el mes pasado, los astrónomos que trabajan con el Telescopio Subaru anunciaron el descubrimiento de 33 quásares que son alrededor de un 10 como brillantes como los identificados anteriormente. Con tan débiles cuásares, los astrónomos deberían poder calcular cuánto luz ultravioleta emiten estos agujeros negros supermasivos, dijo Michael Strauss, astrofísico de la Universidad de Princeton y miembro del equipo. Los investigadores aún no han hecho el análisis, pero esperan publicar los resultados en los próximos meses.
El telescopio Subaru (centro) en la cumbre de Mauna Kea en Hawaii. Crédito de la imagen: NATIONAL ASTRONOMICAL OBSERVATORY OF JAPAN (NAOJ)
El más antiguo de estos cuásares se remonta a alrededor de mil millones de años después del Big Bang, que parece acerca de cuánto tiempo tomaría los agujeros negros ordinarios para devorar suficiente materia para aumentar hasta el estado supermassivo.
Es por eso que otro descubrimiento reciente es tan desconcertante. Un equipo de investigadores liderado por Richard Ellis, un astrónomo del Observatorio Europeo Austral, observaba una brillante galaxia que formaba las estrellas, ya que fue tan sólo 600 millones de años después del Big Bang. El espectro de la galaxia -un catálogo de luz por longitud de onda — parecía contener una firma de nitrógeno ionizado. Es difícil ionizar el hidrógeno ordinario, e incluso más difícil de ionizar el nitrógeno. Requiere más luz ultravioleta de mayor energía que las estrellas. Por lo tanto, otra fuente fuerte de radiación ionizante, posiblemente un agujero negro supermasivo, tenía que existir en este momento, dijo Ellis.
Un agujero negro supermasivo en el centro de una galaxia que forma una estrella temprana podría ser un atípico. No significa que hubo suficientes para reionizar el universo. Así que Ellis ha comenzado a mirar otras galaxias tempranas. Su equipo ahora tiene pruebas provisionales de que los agujeros negros supermasivos estaban situados en los centros de otras galaxias masivas formadoras de estrellas en el universo primitivo. El estudio de estos objetos podría ayudar a aclarar lo que reionizó el universo e iluminar cómo los agujeros negros supermasivos se formaron en absoluto. "Esa es una posibilidad muy emocionante", dijo Ellis.
El Telescopio Espacial James Webb, visto aquí dentro de una sala limpia en el Goddard Space Flight Center de la NASA, ha sido diseñado para capturar la luz de las primeras galaxias que se formaron en el universo primitivo. Crédito de la imagen: NASA
Todo este trabajo comienza a converger en una explicación relativamente sencilla de lo que reionizó el universo. La primera población de estrellas jóvenes y calientes probablemente inició el proceso y luego lo impulsó durante cientos de millones de años. Con el tiempo, estas estrellas murieron; Las estrellas que las reemplazaron no eran tan brillantes y calientes. Pero en este punto de la historia cósmica, los agujeros negros supermasivos tenían tiempo suficiente para crecer y podían comenzar a tomar el control. Investigadores como Steve Finkelstein, un astrofísico de la Universidad de Texas en Austin, están utilizando los últimos datos observacionales y simulaciones de la actividad galáctica temprana para probar los detalles de este escenario, tales como cuántas estrellas y agujeros negros contribuyen al proceso en tiempos diferentes.
Su trabajo — y todo trabajo que involucre los primeros mil millones de años del universo —recibirá un impulso en los próximos años después del lanzamiento en 2018 del Telescopio Espacial James Webb, el sucesor de Hubble, que ha sido explícitamente diseñado para encontrar los primeros objetos del universo. Sus resultados probablemente provocarán muchas más preguntas, también.
Historia original reimpresa con el permiso de la revista Quanta, una publicación editorialmente independiente de la Fundación Simons cuya misión es mejorar la comprensión pública de la ciencia, cubriendo los desarrollos de investigación y las tendencias en matemáticas y las ciencias físicas y de la vida.
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