Gracias a un experimento realizado en el espacio en un cohete suborbital de la NASA, astrónomos del Caltech y un equipo de colegas, han detectado un brillo cósmico difuso que parece representar más luz que la producida por las galaxias conocidas en el universo.
El equipo de investigadores, que incluye al profesor de Física del Caltech Jamie Bock y el Postdoctorado Superior también del Caltech Michael Zemcov, dicen en Science que la mejor explicación es que la luz cósmica tiene su origen en estrellas que fueron alejadas de sus galaxias madre y arrojadas al espacio a medida que estas chocaban entre sí y se fusionaban.
El descubrimiento sugiere que muchas de estas estrellas no detectadas previamente impregnan lo que se había pensado era espacio oscuro entre las galaxias, formando un mar de estrellas interconectado. “La medición de esos grandes fluctuaciones nos sorprendió, pero llevamos a cabo muchas pruebas para demostrar que los resultados eran fiables”, dice Zemcov, quien dirigió el estudio.
A pesar de que no se pueden verse de forma individual, “La luz total producida por estas estrellas errantes es aproximadamente igual a la luz de fondo que obtenemos de contar galaxias individuales“, dice Bock, también científico de investigación senior en el JPL. Bock es el investigador principal del proyecto del cohete, llamado Experimento de Fondo Cósmico Infrarrojo, o CIBER, que se originó en Caltech y se desarrolló en cuatro vuelos desde 2009 hasta 2013.
En estudios anteriores, el Telescopio Espacial Spitzer de la NASA, que ve el universo en longitudes de onda más largas, ya había observado un patrón con manchas de luz infrarroja llamado fondo cósmico infrarrojo. Las manchas son mucho más grandes que las galaxias individuales. “Estamos midiendo estructuras que son grandes a escala cósmica”, dice Zemcov, “Y estos tamaños están asociados con grupos de galaxias juntos en un patrón de gran escala.” Inicialmente algunos investigadores propusieron que esta luz provenía de las primeras galaxias formadas y de las primeras estrellas después del Big Bang. Otros, sin embargo, han argumentado la luz se originó a partir de estrellas arrancadas de galaxias en épocas más recientes.
CIBER fue diseñado para ayudar a resolver el debate. “CIBER nació de una conversación con Asantha Cooray, cosmólogo teórico en la Universidad de California Irvine y en el aquellos momentos postdoctorado en Caltech Marc Kamionkowski”, explica Bock. “Asantha desarrolló una idea para el estudio de las galaxias mediante la medición de su estructura a gran escala. Las galaxias en forma de halos de materia oscura, que son regiones muy densas, sembraron el universo temprano debido a la inflación. Por otra parte, las galaxias no sólo comienzan en estos halos, tienden a agruparse también. Asantha tuvo la brillante idea de medir esta estructura a gran escala directamente de mapas. Experimentalmente, es mucho más fácil para nosotros hacer un mapa mediante la adopción de una imagen de campo amplio con una pequeña cámara, que va a través de la medición y por galaxias débiles, contadas una a una con un gran telescopio “.
Cooray originalmente desarrolló este enfoque para longitudes de onda infrarrojas más observadas por el Observatorio Espacial Herschel de la Agencia Espacial Europea. “Con su espejo de 3,5 metros de diámetro, Herschel es demasiado pequeño para contar todas las galaxias que componen la luz infrarroja de fondo, por lo que en vez de eso obtiene esta información de la estructura espacial en el mapa”, dice Bock.
“Mientras tanto, yo había estado trabajando en experimentos con cohetes en el infrarrojo cercano, y estaba interesado en nuevas formas de utilizar esta idea única para estudiar el fondo extragaláctico”, dice. El fondo extragaláctico infrarrojo representa la totalidad de la luz infrarroja de todas las fuentes del universo “Y había algunas pistas y no sabíamos de dónde procedía todo”
En otras palabras, si se calcula la luz producida por las galaxias individuales, que era menor que la luz de fondo. “Uno podría intentar medir el brillo total del cielo directamente,” dice Bock, “Pero el problema es que la luz zodiacal, en primer plano y debido al polvo en el sistema solar, refleja la luz del sol y es tan brillante que es difícil restarla con suficiente precisión para medir el fondo extragaláctico. Así que ponemos estas dos ideas juntas, la aplicación del enfoque de mapeo de Asantha a las nuevas longitudes de onda, y se decidió que la mejor manera de llegar al fondo extragaláctico era medir las fluctuaciones espaciales en escalas angulares alrededor de un grado. Eso llevó a CIBER “.
El experimento CIBER consta de tres instrumentos, entre ellos dos espectrómetros para determinar el brillo de la luz zodiacal y medir el fondo cósmico infrarrojo directamente. Las mediciones del estudio se hacen con dos cámaras de gran campo para buscar fluctuaciones en dos longitudes de onda de luz infrarroja cercana. La atmósfera superior de la Tierra brilla intensamente en longitudes de onda del CIBER. Pero las mediciones se pueden realizar en el espacio -evitando el resplandor- en sólo el corto período de tiempo que un cohete suborbital pasa por encima de la atmósfera, antes de descender de nuevo de vuelta hacia el planeta.
CIBER voló cuatro misiones; el documento incluye los resultados del segundo y tercera vuelo, lanzados en 2010 y 2012 dese White Sands Missile Range en Nuevo México y recuperados luego en paracaídas. En los vuelos, los investigadores observaron la misma parte del cielo en un momento diferente del año, y cambiaron los conjuntos de detectores a modo de verificación cruzada con datos creados por los sensores. “Esta serie de vuelos era muy útil para crear confianza en nuestros datos”, dice Zemcov. “Para el vuelo final, nos decidimos por conseguir más tiempo por encima de la atmósfera y usamos un vuelo no recuperable en el Océano Atlántico en un cohete de cuatro etapas.” (Los datos de la cuarta vuelo será discutido en un artículo futuro).
Sobre la base de los datos de estos dos lanzamientos, los investigadores encontraron fluctuaciones, pero tuvieron que pasar por un proceso cuidadoso para identificar y eliminar las fuentes locales, como el instrumento, así como las emisiones del sistema solar, estrellas, luz de las estrellas esparcidas en la Vía Láctea, o galaxias conocidas. Lo que queda es un patrón manchado que representa las fluctuaciones en la luz infrarroja de fondo restante. La comparación de datos de múltiples lanzamientos de cohetes, vieron la misma señal. Esa señal también se observa mediante la comparación de CIBER y las imágenes del Spitzer de la misma región del cielo. Finalmente, el equipo midió el color de las fluctuaciones mediante la comparación de los resultados de CIBER con mediciones de Spitzer en longitudes de onda más largas. El resultado es un espectro con un color muy azul, más brillante en las bandas de CIBER.
“CIBER nos cuenta un par de hechos clave. Las fluctuaciones parecen ser demasiado brillantes para provenir de las primeras galaxias. Se tiene que transformar una gran cantidad de hidrógeno en helio para conseguir esa cantidad de luz, así que tenemos que ocultar la evidencia, porque no vemos suficientes elementos pesados creados por nucleosíntesis estelar “, explica Zemcov. Ese es el proceso, que ocurre dentro de las estrellas, por el cual los elementos más pesados se crean a partir de la fusión de los más ligeros . “Lo que significa que estos elementos tendrían que desaparecer en un agujero negro “.
“El color también es demasiado azul”, continua. “Las primeras galaxias deben aparecer más rojas debido a su luz absorbida por el hidrógeno, y aún no hay evidencias de una función como la absorción.”
En resumen, Zemcov concluye, “A pesar de que hemos diseñado nuestro experimento para buscar la emisión de las primeras estrellas y galaxias, esa explicación no se ajusta a nuestros datos muy bien. La mejor interpretación es que estamos viendo la luz de estrellas fuera de las galaxias, pero en los mismos halos de materia oscura. Las estrellas han sido arrojadas lejos de sus galaxias madre por interacciones gravitatorias; algo que sabemos ocurre a partir de imágenes de galaxias “.
Bock admite que el modelo no es perfecto. “De hecho, el color no es todavía lo suficientemente azul para que coincida con los datos. Pero aún así, el brillo de las fluctuaciones implica esta señal y es importante en un sentido cosmológico, a medida que se están trazando una gran cantidad de la producción de luz cósmica “.
Futuros experimentos podría poner a prueba si las estrellas errantes son de hecho el origen del resplandor cósmico infrarrojo, como dicen los investigadores. Si las estrellas fueron arrojadas fuera de sus galaxias madre, todavía deben de estar ubicados en la misma vecindad. El equipo CIBER está trabajando en mejores mediciones para aprender cómo estas estrellas exiliadas pasaron a ser historia cósmica.
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