El amanecer cósmico ocurrió 250 a 350 millones de años después del Big Bang

El amanecer cósmico, cuando las estrellas se formaron por primera vez, ocurrió entre 250 millones y 350 millones de años después del comienzo del universo, según un nuevo estudio dirigido por investigadores de UC Santa Cruz, University College London y University of Cambridge.

Una imagen fija de una simulación de video muestra la formación y evolución de las primeras estrellas y galaxias en un universo virtual similar al nuestro. Se muestran las galaxias del universo temprano, formándose en un momento comparable a las galaxias detectadas en las nuevas observaciones. (Crédito de la imagen: Prof. Brant Robertson, Universidad de California - Santa Cruz).

El estudio, publicado en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, enlace artículo, sugiere que el Telescopio Espacial James Webb (JWST) de la NASA, cuyo lanzamiento está programado para noviembre, será lo suficientemente sensible como para observar el nacimiento de galaxias directamente.

El equipo de investigación examinó seis de las galaxias más distantes que se conocen actualmente, cuya luz ha tardado la mayor parte de la vida del universo en llegar hasta nosotros. Descubrieron que la distancia de estas galaxias a la Tierra correspondía a un tiempo de “mirada atrás” de hace más de 13 mil millones de años, cuando el universo tenía solo 550 millones de años.

Al analizar imágenes de los telescopios espaciales Hubble y Spitzer, los investigadores calcularon la edad de estas galaxias en un rango de 200 a 300 millones de años, lo que permite una estimación de cuándo se formaron sus estrellas por primera vez.

"Estas galaxias empujan la vanguardia de nuestro conocimiento sobre la formación de estructuras cósmicas incluso más atrás en el tiempo", dijo Brant Robertson, profesor de Astronomía y Astrofísica en UC Santa Cruz y coautor del estudio. “Presagian lo que la próxima generación de telescopios espaciales descubrirá en el universo temprano”.

El autor principal, Nicolas Laporte, de la Universidad de Cambridge, quien inició el proyecto mientras estaba en la UCL, dijo: “Los teóricos especulan que el universo fue un lugar oscuro durante los primeros cientos de millones de años, antes de que se formaran las primeras estrellas y galaxias.

“Ser testigo del momento en que el universo se bañó por primera vez en la luz de las estrellas es una búsqueda importante en astronomía.

“Nuestras observaciones indican que el amanecer cósmico ocurrió entre 250 y 350 millones de años después del comienzo del universo y, en el momento de su formación, galaxias como las que estudiamos habrían sido lo suficientemente luminosas para ser vistas con el Telescopio Espacial James Webb".

Los investigadores analizaron la luz de las estrellas de las galaxias según lo registrado por los telescopios espaciales Hubble y Spitzer, examinando un marcador en su distribución de energía indicativo de la presencia de hidrógeno atómico, hidrógeno que no se ha dividido en protones y electrones, en sus atmósferas estelares. Esto proporciona una estimación de la edad de las estrellas que contienen.

Esta firma de hidrógeno aumenta en fuerza a medida que la población estelar envejece, pero disminuye cuando la galaxia tiene más de mil millones de años. La dependencia de la edad surge porque las estrellas más masivas que contribuyen a esta señal queman su combustible nuclear más rápidamente y, por lo tanto, mueren primero.

El coautor Romain Meyer con UCL Physics & Astronomy y el Instituto Max Planck de Astronomía en Heidelberg, Alemania, dijo: “Este indicador de edad se usa para fechar estrellas en nuestro propio vecindario en la Vía Láctea, pero también se puede usar hasta fechas extremadamente remotas, vistas en un período muy temprano del universo".

Ilustración sobre el amanecer cósmico, en los recuadros la seis galaxias más distantes que se conocen actualmente de nuestro universo desde el inicio del Big Bang. 

"Con este indicador podemos inferir que, incluso en estos primeros tiempos, nuestras galaxias tienen entre 200 y 300 millones de años".

Al analizar los datos de Hubble y Spitzer, los investigadores necesitaban estimar el "corrimiento al rojo" de cada galaxia, lo que indica su distancia cosmológica y, por lo tanto, el tiempo retrospectivo en el que se están observando. Para lograr esto, realizaron mediciones espectroscópicas utilizando el arsenal completo de potentes telescopios terrestres: el Atacama Large Millimeter Array (ALMA) de Chile, el European Very Large Telescope, los telescopios gemelos Keck en Hawai y el telescopio Gemini-South.

Estas mediciones permitieron al equipo confirmar que mirar estas galaxias correspondía a mirar atrás a una época en la que el universo tenía 550 millones de años.

El coautor y profesor de la University College London, Richard Ellis, quien ha rastreado galaxias cada vez más distantes a lo largo de su carrera, dijo: “Durante la última década, los astrónomos han empujado las fronteras de lo que podemos observar a una época en la que el universo tenía solo el 4 % de su edad actual. Sin embargo, debido a la transparencia limitada de la atmósfera terrestre y las capacidades de los telescopios espaciales Hubble y Spitzer, hemos llegado a nuestro límite".

“Ahora esperamos ansiosos el lanzamiento del telescopio espacial James Webb, que creemos tiene la capacidad de presenciar directamente el amanecer cósmico".

“La búsqueda para ver este momento importante en la historia del universo ha sido un santo grial en astronomía durante décadas. Dado que estamos hechos de material procesado en estrellas, esto es, en cierto sentido, la búsqueda de nuestros propios orígenes".

Por Mark Greaves, University College London

• Publicado en UC Santa Cruz el 24 de junio del 2021, enlace publicación.