Finalmente podemos saber qué encendió el amanecer cósmico en el universo temprano.
Según los datos de los telescopios espaciales Hubble y James Webb, los orígenes de los fotones de vuelo libre en el amanecer cósmico temprano fueron pequeñas galaxias enanas que dieron vida, despejando la niebla de hidrógeno turbio que llenaba espacio intergaláctico. Un artículo sobre la investigación se publicó en febrero de 2024.
“Este descubrimiento revela el papel crucial desempeñado por las galaxias ultra famosas en la evolución del universo temprano”, dijo la astrofísica Iryna Chemerynska del Institut de Astrophysique de Paris.
“Producen fotones ionizantes que transforman el hidrógeno neutro en plasma ionizado durante la reionización cósmica. Destaca la importancia de comprender las galaxias de baja masa en la configuración de la historia del universo”.
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Al comienzo del universo, a los pocos minutos del Big Bang, el espacio estaba lleno de una niebla densa y densa de plasma ionizado. Qué poca luz no habría penetrado en esta niebla; Los fotones simplemente habrían dispersado los electrones libres flotando, efectivamente haciendo que el universo oscuro.
A medida que el universo se enfriaba, después de unos 300,000 años, los protones y los electrones comenzaron a unirse para formar gas de hidrógeno neutro (y un poco de helio).
La mayoría de las longitudes de onda de la luz podrían penetrar este medio neutro, pero había muy poco en el camino de las fuentes de luz para producirlo. Pero a partir de este hidrógeno y helio, nacieron las primeras estrellas.
Esas primeras estrellas entregaron radiación que era lo suficientemente fuerte como para despegar electrones de sus núcleos y reionizar el gas. En este punto, sin embargo, el universo se había expandido tanto que el gas era difuso y no podía evitar que la luz brillara.
Alrededor de aproximadamente mil millones de años después del Big Bang, el final del período conocido como el amanecer cósmico, el universo fue completamente reionizado. ¡Ta-Da! Las luces estaban encendidas.
Pero debido a que hay mucho murciélago en el amanecer cósmico, y debido a que es muy tenue y muy lejos a través del 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 acumulación produce luz ardiente, por ejemplo, y grandes galaxias en la formación de estrellas (las estrellas del bebé producen mucha luz UV).
JWST fue diseñado, en parte, para mirar al amanecer cósmico e intentar ver qué acecha en él. Ha tenido mucho éxito, revelando todo tipo de sorpresas sobre este momento crucial en la formación de nuestro universo. Sorprendentemente, las observaciones del telescopio ahora sugieren que las galaxias enanas son el jugador clave en la reionización.
Un equipo internacional dirigido por el astrofísico Hakim Atek del Institut d’Astrophysique de Paris recurrió a los datos de JWST en un grupo de galaxias llamado Abell 2744, respaldado por datos de Hubble.
Abell 2744 es tan denso que el espacio-tiempo se deforma a su alrededor, formando una lente cósmica; Cualquier luz lejana que viaje a nosotros a través de ese espacio-tiempo se magnifica. Esto permitió a los investigadores ver pequeñas galaxias enanas cerca del amanecer cósmico.
Luego, usaron JWST para obtener espectros detallados de estas pequeñas galaxias. Su análisis reveló que, no solo estas galaxias enanas son 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 grandes galaxias por 100 a 1, y su producción colectiva es cuatro veces la radiación ionizante generalmente asumida para galaxias más grandes.
“Estas potencias cósmicas emiten colectivamente energía más que suficiente para hacer el trabajo”, dijo Atek.
“A pesar de su pequeño tamaño, estas galaxias de baja masa son productores prolíficos de radiación energética, y su abundancia durante este período es tan sustancial que su influencia colectiva puede transformar todo el estado del universo”.
Es la mejor evidencia hasta ahora para la fuerza detrás de la reionización, pero hay más trabajo por hacer. Los investigadores miraron un pequeño parche del cielo; Deben asegurarse de que su muestra no sea solo un grupo anómalo de galaxias enanas, sino que es una muestra representativa de toda la población en el amanecer cósmico.
Tienen la intención de estudiar más regiones de lentes cósmicas del cielo para obtener una muestra más amplia de poblaciones galácticas tempranas. Pero solo en esta muestra, los resultados son increíblemente emocionantes. Los científicos han estado persiguiendo respuestas sobre la reionización durante mucho tiempo que lo hemos sabido. Estamos al borde de finalmente volar la niebla.
“Ahora hemos entrado en territorio desconocido con el JWST”, dijo la astrofísica Themiya Nanayakkara de la Universidad Tecnológica de Swinburne en Australia.
“Este trabajo abre preguntas más emocionantes que necesitamos responder en nuestros esfuerzos para trazar la historia evolutiva de nuestros comienzos”.
La investigación ha sido publicada en la naturaleza.
Una versión de este artículo se publicó originalmente en marzo de 2024.