ASTRONOMÍA. Cómo las galaxias enanas iluminaron el Universo después del Big Bang

Cómo las galaxias enanas iluminaron el Universo después del Big Bang

 

Una ilustración de la reionización del Universo, que pasó de un caldero (rojo, derecha) de partículas subatómicas a un mar de gas hidrógeno neutro salpicado de estrellas tempranas (centro) y a su estado transparente actual (izquierda). Fuente: Mark Garlick/SPL

Algunos de los objetos más débiles jamás observados sugieren que las galaxias pequeñas tienen el mérito de limpiar la "niebla" que impregnaba el cosmos primitivo.

29 febrero 2024.- Los astrónomos han utilizado el Telescopio Espacial James Webb (JWST) para demostrar que las débiles galaxias en miniatura limpiaron el Universo temprano de su confusa niebla de hidrógeno atómico , permitiendo que la luz de las estrellas brille a través del cosmos por primera vez.

La investigación, publicada en Nature, proporciona evidencia de que las galaxias enanas aproximadamente 100 veces más pequeñas que la Vía Láctea desencadenaron el proceso conocido como reionización, que cambió el curso de la historia cósmica. Gracias a la reionización podemos ver galaxias distantes.

Emergiendo de una era oscura cósmica

Durante unos 380.000 años después del Big Bang, el Universo fue un horno denso y caliente de partículas subatómicas. A medida que el cosmos se enfrió, los electrones y protones libres se combinaron para formar un gas de átomos de hidrógeno neutros.

Lo que siguió fue un triste período de oscuridad. Esto duró hasta que el gas colapsó en algunos lugares para fusionarse y formar las primeras estrellas, que produjeron luz ultravioleta (UV). Sin embargo, el gas restante que impregna el Universo absorbió o dispersó esta luz. Como resultado, el Universo parecía un bosque brumoso salpicado de luciérnagas parpadeantes y tenues, y las fuentes de luz eran visibles sólo a distancias cortas.

Para hacer que el espacio fuera transparente, era necesario bombardear este gas con una poderosa radiación "ionizante", que podría transformar los átomos de hidrógeno neutros en partículas cargadas, o iones, de hidrógeno. Los tres candidatos eran chorros de luz energéticos llamados quásares, que funcionan con agujeros negros supermasivos; galaxias masivas aproximadamente del mismo tamaño que la Vía Láctea; y, finalmente, los pececillos, las galaxias enanas.

Las galaxias masivas habrían absorbido gran parte de su propia luz ultravioleta. Y es posible que haya habido muy pocos cuásares para orquestar todo el proceso. Las galaxias enanas, sin embargo, eran lo suficientemente pequeñas como para permitir un escape fácil de la luz ultravioleta que generaban.

Las observaciones de galaxias enanas más jóvenes, más cercanas a la Tierra, sugieren que pueden emitir radiación ionizante. De todos modos, las galaxias enanas de la época de la reionización son demasiado pequeñas y demasiado oscuras para detectarlas, incluso para el telescopio JWST.

Historia de dos telescopios

Para superar esto, los autores aprovecharon un "telescopio natural": un cúmulo de galaxias situado a unos 1,2 millones de pársecs de la Tierra. Este cúmulo es tan enorme que deforma la luz que lo atraviesa, magnificando así cualquier fuente de luz situada detrás de la lente, tal como se observa desde la Tierra.

Los autores aprovecharon esta lente para observar ocho galaxias enanas de la era de la reionización, cuando el Universo tenía menos de mil millones de años. Las galaxias son los objetos más débiles jamás observados desde esa época.

Utilizando datos recopilados por el JWST, los astrónomos analizaron las longitudes de onda de la luz ultravioleta de estas galaxias. Esto permitió al equipo estimar que incluso estas galaxias pequeñas y débiles podrían haber eliminado fácilmente el gas de hidrógeno que las rodeaba. Los investigadores también estiman que las galaxias enanas eran lo suficientemente abundantes hasta mil millones de años después del Big Bang como para haber ionizado todo el Universo, incluso si el 5% de su radiación ionizante escapara al espacio intergaláctico.

Las galaxias pequeñas fueron las primeras en formarse en el Universo, lo que "probablemente facilita el inicio temprano del proceso [de reionización]" en la historia del cosmos. A medida que cada galaxia emitía radiación, efectivamente soplaba una burbuja de transparencia que se expandía hasta convertirse en gas neutro. Finalmente, todas las burbujas de todas las galaxias se superpusieron para completar la transformación.

Las galaxias enanas habrían formado burbujas más pequeñas que las producidas por los cuásares y las galaxias masivas, y esas burbujas pequeñas podrían haber asegurado que la reionización se produjera de manera homogénea en todo el Universo. Esto, a su vez, tuvo implicaciones para la arquitectura del Universo actual.

Fuente: Atek, H., Labbé, I., Furtak, L.J. et al. Most of the photons that reionized the Universe came from dwarf galaxies. Nature 626, 975–978 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07043-6