Todos estamos familiarizados con la famosa apertura del programa de televisión «The Big Bang Theory». Es una canción que comienza con el verso: «El universo entero estaba en un estado espeso y caliente…» interpretada por BareNakedLadies .Escuadrón. Resulta que no es solo una linda línea. Las damas tienen razón: describe exactamente lo que ha estado sucediendo con el universo hace mucho tiempo. Después del Big Bang, el universo Era La sopa de plasma es muy caliente, densa y se esparce rápidamente. También estaba en una «edad oscura» cósmica porque no había fuentes de luz. Era sólo… bueno… oscuro. y caliente.
¿Qué paso después de eso? Claro, la Tierra aún no existía, y no eran robots ni neandertales ni nada más mencionado en la canción. Todo estaba muy lejos en el tiempo, el espacio y la evolución cósmica. Ni siquiera había luz.
Para llegar a la luz, el universo tuvo que pasar por un período de sopa caliente. Esto se remonta a unos 380.000 años. A lo largo de ese tiempo, el universo se ha expandido y enfriado, llevándolo a su siguiente estado de existencia. A medida que se enfriaba, los protones y electrones pudieron combinarse y crear cantidades masivas de hidrógeno neutro. El universo pasó unos 100 millones de años en este período dominado por hidrógeno neutro. Entonces sucedió algo maravilloso (que recuerda una frase de la película de 2010). Las primeras estrellas y galaxias comenzaron a formarse.
Con las estrellas se calienta o, para ser más científicamente correcto, se ioniza. Ocurrió cuando la luz ultravioleta de esas estrellas jóvenes y calientes desmenuzó los átomos de hidrógeno, separando los electrones de los protones. La buena noticia es que cuando tienes ionización, tienes luz. Y esto, muchachos, es el resumen ejecutivo de cómo se iluminó el universo solo unos cientos de millones de años después del Big Bang. Has entrado en lo que los cosmólogos llaman la «era de la reionización»: el amanecer de la luz en el universo.
La luz del cuásar revela más sobre el amanecer
Los astrónomos saben cuándo comenzó el «amanecer cósmico», pero todavía discuten sobre cuándo terminó. No es sólo un ejercicio académico. Es importante tener una «fecha» precisa del final del amanecer cósmico. Puede ayudarlos a comprender las primeras generaciones de estrellas que iluminaron las cosas. Y una vez que los astrónomos obtengan más información sobre esos primeros objetos, también se podrán responder muchas otras preguntas cosmológicas.
La búsqueda del punto final llevó a la Dra. Sarah Bosmann y a un grupo de astrónomos del Instituto Max Planck de Astronomía en Heidelberg a buscar evidencia en el hidrógeno. No cualquier hidrógeno, sino esa versión neutral que existía antes del amanecer cósmico. Pensaron que podrían encontrar una manera de detectar un punto en el tiempo en el que todo se ionizó con las primeras estrellas. Si es así, conocerían el final del amanecer cósmico.
Para averiguarlo, tamizaron la luz que entraba desde 67 cuásares distantes. Parte de la luz que observaron provenía de 25 cuásares observados durante un proyecto llamado Escanear XQR-30. Usé el espectrómetro X-shooter del Observatorio Europeo Austral instalado en el Very Large Telescope (VLT) en Chile. El X-shooter proporciona espectros de alta resolución de sus objetivos. Los espectros muestran las longitudes de onda componentes de la luz emitida o reflejada por un objetivo. (Obtenga más información sobre espectros y espectroscopia aqui.)
Viaje del amanecer cósmico a través del universo
La luz del cuásar capturada por el X-shooter atravesó nubes de hidrógeno a varias distancias de nosotros. La luz atravesó nubes ionizadas y nubes neutras. El hidrógeno neutro dejó una «huella» distintiva en el espectro de la luz del cuásar con una longitud de onda de 121,6 nanómetros. Esto está en el rango ultravioleta del espectro electromagnético. Sin embargo, la luz parece «cambiar» al extremo rojo del espectro debido a la expansión del universo. Los astrónomos dicen que es un «desplazamiento al rojo» y que la cantidad de desplazamiento al rojo da pistas sobre la distancia de los objetos emisores de luz.
Los datos de distancia permiten a Bosman y sus colegas realizar una medición precisa del final del amanecer cósmico. Ocurrió en un punto 1.100 millones de años después del Big Bang. «Me intriga la idea de las diferentes etapas por las que pasó el universo que llevaron a la formación del Sol y la Tierra. Es un gran honor contribuir con una nueva pequeña pieza a nuestro conocimiento de la historia cósmica», dijo. Busman es el autor principal de un artículo de investigación que apareció en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Modelado de datos para encontrar el final del amanecer cósmico
El equipo de espectros de Bosman que estudiaron presentó algunos desafíos, ya que la luz del cuásar atravesó diferentes regiones del espacio en su camino hacia la Tierra. Eso dejó una maraña de huellas dactilares en el espectro del cuásar. Por ejemplo, el hidrógeno neutro deja una huella específica. La luz misma también atravesó la llamada «red cósmica» de materia que conecta las galaxias y los cúmulos de galaxias. Contiene hidrógeno ionizado y neutro. Esto también es luz impresa.
Por lo tanto, los astrónomos tuvieron que resolver todas las diferentes huellas dactilares. Para ello, utilizaron un modelo matemático que reproduce las diferencias de luz medidas más tarde en el universo, cuando el gas intergaláctico ya estaba completamente ionizado. Cuando compararon este modelo con sus observaciones, encontraron un punto donde la línea de luz de 121,6 nanómetros que observaron se desplazó por un factor de 5,3 veces. Esto corresponde a la edad cósmica de 1.100 millones de años (después del Big Bang). Es el período más reciente en la historia cósmica cuando el gas de hidrógeno neutro debe estar presente en el espacio intergaláctico. Luego, la radiación ultravioleta de las estrellas ionizó el hidrógeno intergaláctico. Este punto en el tiempo marca el final del amanecer cósmico.
Próximos pasos
Ahora que se ha establecido un nuevo «Fin del Amanecer Cósmico», ¿qué sigue? Más notas, por supuesto. «Este nuevo conjunto de datos proporciona un punto de referencia crítico contra el cual probar las simulaciones numéricas de los primeros mil millones de años de vida del universo en los años venideros», dijo el miembro del equipo Frederick Davies. Ayudarán a caracterizar las fuentes ionizantes, las primeras generaciones de estrellas.
Conocer la fecha final de Cosmic Dawn proporciona herramientas para realizar más simulaciones numéricas del período en que las estrellas iluminaron el universo por primera vez. Y debes abrir la puerta para explorar todo el amanecer cósmico. «La dirección futura más emocionante de nuestro trabajo es extenderlo a tiempos anteriores, hacia la mitad del proceso de reionización», afirmó Sarah Boseman. «Desafortunadamente, las distancias más grandes significan que esos cuásares anteriores son mucho más débiles. Por lo tanto, un área de recolección ampliada para los telescopios de próxima generación como el ELT será fundamental».
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