Visión artística de las galaxias al fin de la reionización. Crédito: ESO/M. Kornmesser
Los científicos han utilizado el Very Large Telescope (VLT) de ESO en Chile para estudiar el Universo primitivo en distintos momentos, justo cuando se estaba volviendo transparente a la luz ultravioleta. Esta fase breve pero espectacular en la historia cósmica -conocida como reionización-, se produjo hace unos 13 mil millones de años. Al estudiar cuidadosamente algunas de las galaxias más lejanas detectadas hasta ahora, el equipo fue capaz de establecer por primera vez un calendario de la reionización. También demostraron que esta fase debió ocurrir más rápido de lo que los astrónomos pensaban.
Un equipo internacional de astrónomos usó el VLT de ESO en Cerro Paranal (Chile) como una máquina del tiempo para viajar al pasado, hacia el Universo primitivo, y poder observar varias de las galaxias más lejanas detectadas hasta la fecha. El equipo fue capaz de medir sus distancias con precisión y determinó que las estamos viendo tal como eran entre 780 millones y mil millones de años después del Big Bang [1].
Las nuevas observaciones permitieron a los astrónomos establecer por primera vez un cronograma para lo que se conoce como la era de la reionización [2]. Durante esta fase, la niebla de gas de hidrógeno en el Universo primitivo se fue despejando, permitiendo que la luz ultravioleta pasara sin obstáculos por primera vez.
Los nuevos resultados, que serán publicados en el Astrophysical Journal, se basan en una extensa y sistemática búsqueda de galaxias distantes que el equipo llevó a cabo con el VLT durante los últimos tres años.
“Los arqueólogos pueden reconstruir una cronología del pasado a partir de los artefactos que encuentran en las diferentes capas del suelo. Los astrónomos podemos hacer algo mejor: podemos ver directamente en el pasado remoto y observar la tenue luz de las galaxias en diferentes etapas de la evolución cósmica“, explica Adriano Fontana, de INAF Observatorio Astronómico de Roma, quien lideró este proyecto. “Las diferencias entre las galaxias nos hablan de las cambiantes condiciones en el Universo en este importante período, y la rapidez con que estos cambios fueron ocurriendo“.
Los diferentes elementos químicos brillan en colores característicos. Estos signos en el brillo se conocen como líneas de emisión. Una de las líneas de emisión de rayos ultravioleta más fuertes es la línea Lyman-alfa, que proviene del gas de hidrógeno [3]. Es lo suficientemente brillante y reconocible como para ser vista incluso en las observaciones de galaxias muy débiles y lejanas.
Detectar la línea Lyman-alfa de cinco galaxias muy distantes [4] permitió al equipo hacer dos cosas. En primer lugar, al observar hasta qué punto la línea se había desplazado hacia el extremo rojo del espectro fueron capaces de determinar las distancias de las galaxias, y de esta forma saber cuánto tiempo después del Big Bang las estaban observando [5]. Esto les permitió colocarlas en orden, creando una línea de tiempo que muestra cómo la luz de las galaxias fue evolucionando en el tiempo. En segundo lugar, fueron capaces de ver hasta qué punto la emisión Lyman-alfa -proveniente del hidrógeno que brilla al interior de las galaxias- fue reabsorbida por la niebla de hidrógeno neutro en el espacio intergaláctico en diferentes puntos en el tiempo.
“Vemos una diferencia dramática entre la cantidad de luz ultravioleta que fue bloqueada en las galaxias más tempranas y en las más tardías de la muestra“, dice la autora principal Laura Pentericci, de INAF Observatorio Astronómico de Roma. “Cuando el Universo tenía sólo 780 millones años de edad, este hidrógeno neutro era muy abundante, ocupando entre un 10 y un 50% del volumen del Universo. Pero sólo 200 millones de años después, la cantidad de hidrógeno neutro se había reducido a un nivel muy bajo, similar al que vemos hoy en día. Parece que la reionización debe haber ocurrido más rápido de lo que los astrónomos pensaban“.
Además de sondear la velocidad a la que se despejó la niebla primordial, las observaciones del equipo también apuntaron a la probable fuente de luz ultravioleta que proporcionó la energía necesaria para que se produjera la reionización. Varias teorías compiten para explicar el origen de esta luz, entre las cuales destacan dos: la primera generación de estrellas en el Universo [6], y la intensa radiación emitida por materia que cae hacia un agujero negro.
“El análisis detallado de la tenue luz de dos de las galaxias más distantes que encontramos sugiere que la primera generación de estrellas podría haber contribuido a la producción de la energía observada“, dice Eros Vanzella del INAF Observatorio de Trieste, miembro del equipo de investigación. “Se trataría de estrellas muy jóvenes y masivas, cerca de cinco mil veces más jóvenes y cien veces más masivas que nuestro Sol, y podrían haber sido capaces de disolver la niebla primordial y volverla transparente“.
Las mediciones de alta precisión requeridas para confirmar o refutar esta hipótesis, y demostrar que las estrellas pueden producir la energía necesaria, requieren observaciones desde el espacio, o con el planeado European Extremely Large Telescope (E-ELT) de ESO, que será el ojo más grande del mundo en el cielo cuando esté terminado, a principios de la próxima década.
El estudio de un periodo tan primitivo en la historia cósmica es técnicamente difícil, ya que se necesitan observaciones muy precisas de galaxias extremadamente distantes y tenues, una tarea que sólo puede ser realizada por los telescopios más potentes. Para este estudio, el equipo utilizó el gran poder de recolección de luz de uno de los telescopios de 8,2 metros del VLT para llevar a cabo observaciones espectroscópicas, apuntando a galaxias identificadas previamente por el Telescopio Espacial Hubble de NASA/ESA y en imágenes de campo profundo tomadas por el VLT.
Notas
[1] La galaxia más lejana que se ha reportado, con una distancia medida a través de espectroscopía, alcanza un desplazamiento al rojo de 8,6, lo que la sitúa 600 millones años después del Big Bang (ver noticia anterior). Si bien existe una galaxia candidata a un desplazamiento al rojo de alrededor de 10 (480 millones de años después del Big Bang) identificada por el Telescopio Espacial Hubble, ésta todavía está a la espera de confirmación. La galaxia más distante de este estudio posee un desplazamiento al rojo de 7,1, que equivale a 780 millones años después del Big Bang. El Universo actual posee 13,7 mil millones de años. La nueva muestra de cinco galaxias con líneas Lyman-alfa confirmadas (de un total de 20 candidatas) incluye a la mitad de todas las galaxias conocidas con desplazamiento al rojo mayor a 7.
[2] Al formarse las primeras estrellas y galaxias, el Universo estaba lleno de gas de hidrógeno eléctricamente neutro que absorbe la luz ultravioleta. A medida que la radiación ultravioleta de estas galaxias primitivas fue excitando el gas, haciendo que adquiriera carga eléctrica (ionizado), éste se fue haciendo cada vez más transparente a la luz ultravioleta. Este proceso se conoce técnicamente como reionización, y se cree que fue un breve período dentro de los primeros 100 000 años después del Big Bang en el que también el hidrógeno fue ionizado.
[3] El equipo midió los efectos de la niebla de hidrógeno utilizando la espectroscopía, una técnica que consiste en separar y dispersar la luz de la galaxia en los colores que la componen, al igual que un prisma descompone la luz del Sol en un arco iris.
[4] El equipo usó el VLT para estudiar los espectros de 20 galaxias candidatas a desplazamientos al rojo cercanos a 7, las que provienen de estudios de imágenes profundas de tres regiones distintas. De estos 20 objetivos, se encontraron cinco que poseían claramente emisión Lyman-alfa. Éste es actualmente el único conjunto de galaxias con desplazamiento al rojo cercano a 7 confirmadas espectroscópicamente.
[5] Debido a la expansión del Universo, la longitud de onda de la luz de los objetos se estira a medida que viaja a través del espacio. Cuanto más viaja la luz, más se estira su longitud de onda. Como el rojo es la mayor longitud de onda visible a nuestros ojos, el característico color rojo que este fenómeno produce en los objetos extremadamente distantes se conoce como “desplazamiento al rojo”. Aunque técnicamente es una forma de medir cómo se ha visto afectado el color de la luz de un objeto, también permite medir la distancia del objeto y determinar cuánto tiempo después del Big Bang lo estamos observando.
[6] Los astrónomos clasifican las estrellas en tres categorías, conocidas como Población I, Población II y Población III. La Población I de estrellas, como nuestro Sol, son ricas en elementos pesados sintetizados en los corazones de las estrellas más viejas y en explosiones de supernovas: al estar compuestas de residuos de generaciones anteriores de estrellas, tienen que haber aparecido más tarde en el Universo. Las estrellas de la Población II tienen menos elementos pesados en su interior y están en su mayoría compuestas por hidrógeno, helio y litio creados durante el Big Bang. Éstas son las estrellas más viejas, aunque muchas de ellas todavía existen en el Universo actual. Las estrellas de la Población III nunca han sido observadas directamente, aunque se cree que existieron en los primeros años del Universo. Como sólo contienen el material creado durante el Big Bang, no poseen ningún elemento más pesado. Debido al rol que juegan los elementos más pesados en la formación de las estrellas, sólo las estrellas de gran tamaño con esperanzas de vida muy cortas fueron capaces de formarse en esta etapa, por lo que toda la Población III de estrellas culminó rápidamente su vida con explosiones de supernovas en los primeros años del Universo. Hasta el momento no se ha podido encontrar evidencia sólida de la Población III de estrellas, ni siquiera en las observaciones.
Enlaces
- Artículo científico
- Fotos del VLT
Nota de prensa publicada en el portal del Observatorio Europeo Austral (ESO).