Los astrónomos observan un grupo de galaxias distantes que conducen una antigua transformación cósmica.

Esta composición de imágenes visibles y de infrarrojo cercano del Telescopio Espacial Hubble de archivo muestra una parte de la Franja Groth Extendida, un área bien estudiada ubicada entre las constelaciones Ursa Major y Boötes. Las tres galaxias del grupo de galaxias EGS77, que se muestran en los círculos verdes, se encuentran en un desplazamiento al rojo de 7.7, lo que significa que estamos viendo las galaxias tal como estaban cuando el universo tenía solo 680 millones de años. La imagen tiene 3.2 minutos de arco de ancho. Crédito: NASA, ESA y V. Tilvi (ASU).

Un equipo internacional de astrónomos financiado en parte por la NASA ha encontrado el grupo de galaxias más alejado identificado hasta la fecha. Llamado EGS77, el trío de galaxias data de una época en que el universo tenía solo 680 millones de años, o menos del 5% de su edad actual de 13,8 mil millones de años.

Más significativamente, las observaciones muestran que las galaxias son participantes en un amplio cambio cósmico llamado reionización. La era comenzó cuando la luz de las primeras estrellas cambió la naturaleza del hidrógeno en todo el universo de manera similar a la fusión de un lago congelado en la primavera. Esto transformó el cosmos temprano oscuro que apaga la luz en el que vemos a nuestro alrededor hoy.

"El joven universo estaba lleno de átomos de hidrógeno, que atenúan tanto la luz ultravioleta que bloquean nuestra visión de las primeras galaxias", dijo James Rhoads en el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, quien presentó los hallazgos el 5 de enero al 235. reunión de la American Astronomical Society en Honolulu. "EGS77 es el primer grupo de galaxias atrapado en el acto de despejar esta niebla cósmica".

Si bien se han observado galaxias individuales más distantes, EGS77 es el grupo de galaxias más alejado hasta la fecha que muestra las longitudes de onda específicas de la luz ultravioleta lejana revelada por la reionización. Esta emisión, llamada Lyman alpha light, es prominente en todos los miembros de EGS77.

Esta animación muestra el lugar de EGS77 en la historia cósmica, vuela a las galaxias e ilustra cómo la luz ultravioleta de sus estrellas crea burbujas de hidrógeno ionizado a su alrededor. Créditos: Centro de vuelo espacial Goddard de la NASA

En su primera fase, el universo era un plasma brillante de partículas, incluidos electrones, protones, núcleos atómicos y luz. Los átomos aún no pueden existir. El universo estaba en un estado ionizado, similar al gas dentro de un letrero de neón iluminado o un tubo fluorescente.

Después de que el universo se expandió y se enfrió durante aproximadamente 380.000 años, los electrones y protones se combinaron en los primeros átomos, más del 90% de ellos hidrógeno. Cientos de millones de años después, este gas formó las primeras estrellas y galaxias. Pero la presencia misma de este abundante gas plantea desafíos para detectar galaxias en el universo primitivo.

Los átomos de hidrógeno absorben fácilmente y reemiten rápidamente la luz ultravioleta lejana conocida como emisión alfa de Lyman, que tiene una longitud de onda de 121,6 nanómetros. Cuando se formaron las primeras estrellas, parte de la luz que produjeron coincidía con esta longitud de onda. Debido a que la luz alfa de Lyman interactuaba fácilmente con los átomos de hidrógeno, no podía viajar mucho antes de que el gas la dispersara en direcciones aleatorias.

"La luz intensa de las galaxias puede ionizar el gas de hidrógeno circundante, formando burbujas que permiten que la luz de las estrellas viaje libremente", dijo el miembro del equipo Vithal Tilvi, investigador de la Universidad Estatal de Arizona en Tempe. “EGS77 ha formado una gran burbuja que permite que su luz viaje a la Tierra sin mucha atenuación. Eventualmente, burbujas como estas crecieron alrededor de todas las galaxias y llenaron el espacio intergaláctico, reionizando el universo y despejando el camino para que la luz viaje a través del cosmos ".

Recuadro: Esta ilustración del grupo de galaxias EGS77 muestra las galaxias rodeadas por burbujas superpuestas de hidrógeno ionizado. Al transformar los átomos de hidrógeno que apagan la luz en gas ionizado, se cree que la luz estelar ultravioleta ha formado tales burbujas en todo el universo temprano, haciéndola pasar gradualmente de opaca a completamente transparente. Antecedentes: Este compuesto de imágenes visibles e infrarrojas cercanas del telescopio espacial Hubble incluye las tres galaxias de EGS77 (círculos verdes). Créditos: NASA, ESA y V. Tilvi (ASU)

EGS77 fue descubierto como parte de la encuesta Cosmic Deep and Wide Narrowband (Cosmic DAWN), para la cual Rhoads sirve como investigador principal. El equipo tomó una imagen de un área pequeña en la constelación de Boötes usando un filtro personalizado en la cámara infrarroja de campo extremadamente amplio del Observatorio Nacional de Astronomía Óptica (NEWFIRM), que se conectó al telescopio Mayall de 4 metros en el Observatorio Nacional Kitt Peak cerca de Tucson, Arizona.

Debido a que el universo se está expandiendo, la luz alfa de Lyman de EGS77 se ha extendido durante sus viajes, por lo que los astrónomos realmente la detectan en longitudes de onda del infrarrojo cercano. No podemos ver estas galaxias en luz visible ahora porque esa luz comenzó a longitudes de onda más cortas que Lyman alfa y se dispersó por la niebla de los átomos de hidrógeno.

Para ayudar a seleccionar candidatos distantes, los investigadores compararon sus imágenes con datos disponibles públicamente de la misma región tomados por los telescopios espaciales Hubble y Spitzer de la NASA. Las galaxias que aparecen brillantemente en imágenes de infrarrojo cercano fueron marcadas como posibilidades, mientras que aquellas que aparecieron en luz visible fueron rechazadas por estar demasiado cerca.

El equipo confirmó las distancias a las galaxias de EGS77 utilizando el espectrómetro de objetos múltiples para exploración infrarroja (MOSFIRE) en el telescopio Keck I en el Observatorio W. M. Keck en Maunakea, Hawai. Las tres galaxias muestran líneas de emisión alfa de Lyman a longitudes de onda ligeramente diferentes, lo que refleja distancias ligeramente diferentes. La separación entre las galaxias adyacentes es de aproximadamente 2,3 millones de años luz, o un poco más cerca que la distancia entre la galaxia de Andrómeda y nuestra propia Vía Láctea.

Esta visualización muestra cómo la luz ultravioleta de las primeras estrellas y galaxias transformó gradualmente el universo. Los átomos de hidrógeno, también llamados hidrógeno neutro, dispersan fácilmente la luz ultravioleta, evitando que viaje muy lejos de sus fuentes. Poco a poco, la intensa luz UV de las estrellas y galaxias separó los átomos de hidrógeno, creando burbujas en expansión de gas ionizado. A medida que estas burbujas crecieron y se superpusieron, la niebla cósmica se levantó. Los astrónomos llaman a este proceso reionización. Aquí, las regiones ya ionizadas son azules y translúcidas, las áreas sometidas a ionización son rojas y blancas, y las regiones de gas neutro son oscuras y opacas. Créditos: M. Alvarez, R. Kaehler y T. Abel (2009)

Un artículo que describe los hallazgos, dirigido por Tilvi, se ha enviado a The Astrophysical Journal.

"Si bien este es el primer grupo de galaxias identificado como responsable de la reionización cósmica, las futuras misiones de la NASA nos contarán mucho más", dijo la coautora Sangeeta Malhotra en Goddard. "El próximo telescopio espacial James Webb es sensible a la emisión alfa de Lyman de galaxias incluso más débiles a estas distancias y puede encontrar más galaxias dentro de EGS77".

Los astrónomos esperan que burbujas de reionización similares de esta época sean raras y difíciles de encontrar. El Telescopio de Estudio Infrarrojo de Campo Amplio (WFIRST) planeado por la NASA podría descubrir ejemplos adicionales, iluminando aún más esta importante transición en la historia cósmica.

Por Francis Reddy

Centro de vuelo espacial Goddard de la NASA, Greenbelt, Maryland.

Última actualización: 6 de enero de 2020, enlace publicación.

Editora: Lynn Jenner