Finalmente sabemos qué trajo luz al vacío oscuro y sin forma del Universo primitivo.
Según los datos de los telescopios espaciales Hubble y James Webb, los orígenes de los fotones que volaban libremente en el amanecer cósmico temprano fueron pequeñas galaxias enanas que cobraron vida y despejaron la niebla de hidrógeno turbio que llenaba el espacio intergaláctico. nuevo papel El artículo sobre la investigación se publicó en febrero.
«Este descubrimiento revela el papel crucial que desempeñaron las galaxias ultra débiles en la evolución del Universo temprano», dijo la astrofísica Iryna Chemerynska del Instituto de Astrofísica de París.
«Producen fotones ionizantes que transforman el hidrógeno neutro en plasma ionizado durante la reionización cósmica. Esto pone de relieve la importancia de comprender las galaxias de baja masa en la configuración de la historia del Universo».
Al principio del Universo, a los pocos minutos de la Big BangEl espacio estaba lleno de una densa y caliente niebla de plasma ionizado. La poca luz que había no habría penetrado en esta niebla; los fotones simplemente se habrían dispersado de los electrones libres que flotaban alrededor, oscureciendo efectivamente el Universo.
A medida que el Universo se enfrió, después de unos 300.000 años, los protones y los electrones comenzaron a unirse para formar hidrógeno neutro (y un poco de helio). La mayoría de las longitudes de onda de la luz podían penetrar este medio neutro, pero había muy pocas fuentes de luz para producirlo. Pero a partir de este hidrógeno y helio nacieron las primeras estrellas.
Las primeras estrellas emitían una radiación lo bastante intensa como para desprender electrones de sus núcleos y reionizar el gas. Sin embargo, en ese momento el Universo se había expandido tanto que el gas era difuso y no podía impedir que la luz brillara. Unos mil millones de años después del Big Bang, el final del período conocido como el amanecer cósmico, el Universo estaba completamente reionizado. ¡Ta-da! Las luces estaban encendidas.
Pero como hay tanta oscuridad en el amanecer cósmico, y como es tan tenue y lejano en el tiempo y el espacio, hemos tenido problemas para ver lo que hay allí. Los científicos pensaron que las fuentes responsables de la mayor parte de la limpieza deben haber sido poderosas, enormes agujeros negros cuya acreción produce una luz resplandeciente, por ejemplo, y grandes galaxias en pleno proceso de formación estelar (las estrellas bebés producen mucha luz ultravioleta).
El JWST fue diseñado, en parte, para observar el amanecer cósmico y tratar de ver qué se esconde allí. Ha tenido mucho éxito, revelando todo tipo de sorpresas sobre este momento crucial en la formación de nuestro Universo. Sorprendentemente, las observaciones del telescopio sugieren ahora que las galaxias enanas son el factor clave en la reionización.
Un equipo internacional dirigido por el astrofísico Hakim Atek, del Instituto de Astrofísica de París, recurrió a los datos del JWST sobre un cúmulo de galaxias llamado Abell 2744, respaldados por datos del Hubble. Abell 2744 es tan denso que el espacio-tiempo se deforma a su alrededor, formando una lente cósmica; cualquier luz distante que viaja hacia nosotros a través de ese espacio-tiempo se magnifica. Esto permitió a los investigadores ver pequeñas galaxias enanas cerca del amanecer cósmico.
Luego, utilizaron el JWST para obtener espectros detallados de estas diminutas galaxias. Su análisis reveló que, no sólo son estas galaxias enanas el tipo de galaxia más abundante en el Universo temprano, sino que son mucho más brillantes de lo esperado. De hecho, la investigación del equipo muestra que las galaxias enanas superan en número a las galaxias grandes en una proporción de 100 a 1, y su producción colectiva es cuatro veces la radiación ionizante que generalmente se supone para las galaxias más grandes.
«Estas potencias cósmicas emiten colectivamente energía más que suficiente para realizar el trabajo». Atek dijo«A pesar de su diminuto tamaño, estas galaxias de baja masa son prolíficas productoras de radiación energética, y su abundancia durante este período es tan sustancial que su influencia colectiva puede transformar todo el estado del Universo».
Se trata de la mejor evidencia hasta el momento de la fuerza que se esconde detrás de la reionización, pero todavía queda mucho por hacer. Los investigadores observaron una pequeña porción del cielo; necesitan asegurarse de que su muestra no sea simplemente un cúmulo anómalo de galaxias enanas, sino una muestra representativa de toda la población en el amanecer cósmico.
Pretenden estudiar más regiones del cielo que se asemejan a lentes cósmicas para obtener una muestra más amplia de poblaciones galácticas tempranas. Pero solo en esta muestra, los resultados son increíblemente emocionantes. Los científicos han estado buscando respuestas sobre la reionización desde que tenemos conocimiento de ella. Estamos a punto de disipar finalmente la niebla.
«Ahora hemos entrado en territorio desconocido con el JWST», dijo el astrofísico Themiya Nanayakkara de la Universidad Tecnológica de Swinburne en Australia.
«Este trabajo abre preguntas más apasionantes que necesitamos responder en nuestros esfuerzos por trazar la historia evolutiva de nuestros comienzos».
La investigación ha sido publicada en Naturaleza.
Una versión de este artículo se publicó originalmente en marzo de 2024.
