Los investigadores señalan el final del ‘amanecer cósmico’, la época de la reionización


Un grupo de astrónomos dirigido por Sarah Bosman del Instituto Max Planck de Astronomía ha cronometrado de manera sólida el final de la época de reionización del gas de hidrógeno neutro aproximadamente 1.100 millones de años después del Big Bang. La reionización comenzó cuando se formó la primera generación de estrellas después de las «edades oscuras» cósmicas, un largo período en el que solo el gas neutro llenaba el universo sin ninguna fuente de luz. El nuevo resultado resuelve un debate que duró dos décadas y se deriva de las firmas de radiación de 67 cuásares con huellas del gas hidrógeno por el que pasó la luz antes de llegar a la Tierra. Señalar el final de este «amanecer cósmico» ayudará a identificar las fuentes ionizantes: las primeras estrellas y galaxias.

El universo ha pasado por diferentes fases desde su inicio hasta su estado actual. Durante los primeros 380.000 años posteriores al Big Bang era un plasma ionizado caliente y denso. Después de este período, se enfrió lo suficiente como para que los protones y electrones que llenaban el universo se combinaran en átomos de hidrógeno neutros. En su mayor parte durante estas «edades oscuras», el universo no tenía fuentes de luz visible. Con el advenimiento de las primeras estrellas y galaxias aproximadamente 100 millones de años después, ese gas gradualmente se ionizó nuevamente por la radiación ultravioleta (UV) de las estrellas. Este proceso separa los electrones de los protones, dejándolos como partículas libres. Esta era se conoce comúnmente como el «amanecer cósmico». Hoy, todo el hidrógeno repartido entre las galaxias, el gas intergaláctico, está totalmente ionizado. Sin embargo, cuándo sucedió eso es un tema muy discutido entre los científicos y un campo de investigación altamente competitivo.

Representación esquemática de la visión de la historia cósmica proporcionada por la luz brillante de los cuásares distantes. Observar con un telescopio (abajo a la izquierda) nos permite obtener información sobre la llamada época de reionización («burbujas» arriba a la derecha) que siguió a la fase del Big Bang (arriba a la derecha). Crédito: Carnegie Institution for Science / MPIA (anotaciones)

Un final tardío del amanecer cósmico

Un equipo internacional de astrónomos dirigido por Sarah Bosman del Instituto Max Planck de Astronomía (MPIA) en Heidelberg, Alemania, ha calculado con precisión el final de la época de reionización en 1.100 millones de años después del Big Bang. «Estoy fascinada con la idea de las diferentes fases por las que pasó el universo que condujeron a la formación del Sol y la Tierra. Es un gran privilegio contribuir con una pequeña pieza nueva a nuestro conocimiento de la historia cósmica», dice Sarah Bosman. Es la autora principal del artículo de investigación que aparece hoy en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Frederick Davies, también astrónomo del MPIA y coautor del artículo, comenta: «Hasta hace unos años, la opinión prevaleciente era que la reionización se completó casi 200 millones de años antes. Aquí tenemos ahora la evidencia más sólida hasta ahora de que el proceso terminó hace mucho tiempo». más tarde, durante una época cósmica más fácilmente observable por las instalaciones de observación de la generación actual». Esta corrección de tiempo puede parecer marginal considerando los miles de millones de años desde el Big Bang. Sin embargo, unos cientos de millones de años más fueron suficientes para producir varias docenas de generaciones estelares en la evolución cósmica temprana. El momento de la era del «amanecer cósmico» restringe la naturaleza y el tiempo de vida de las fuentes ionizantes presentes durante los cientos de millones de años que duró.

Este enfoque indirecto es actualmente la única forma de caracterizar los objetos que impulsaron el proceso de reionización. Observar esas primeras estrellas y galaxias directamente está más allá de las capacidades de los telescopios contemporáneos. Simplemente son demasiado débiles para obtener datos útiles en un tiempo razonable. Incluso las instalaciones de próxima generación como el Extremely Large Telescope (ELT) de ESO o el telescopio espacial James Webb pueden tener dificultades con esa tarea.

Quasars como sondas cósmicas

Para investigar cuándo se ionizó completamente el universo, los científicos aplican diferentes métodos. Una es medir la emisión de gas hidrógeno neutro en la famosa línea espectral de 21 centímetros. En cambio, Sarah Bosman y sus colegas analizaron la luz recibida de fuertes fuentes de fondo. Emplearon 67 cuásares, los discos brillantes de gas caliente que rodean los agujeros negros masivos centrales en galaxias activas distantes. Al observar el espectro de un cuásar, que visualiza su intensidad distribuida a lo largo de las longitudes de onda observadas, los astrónomos encuentran patrones en los que parece faltar la luz. Eso es lo que los científicos llaman líneas de absorción. El gas de hidrógeno neutro absorbe esta porción de luz a lo largo de su viaje desde la fuente hasta el telescopio. Los espectros de esos 67 cuásares son de una calidad sin precedentes, lo que fue crucial para el éxito de este estudio.

El método consiste en observar una línea espectral equivalente a una longitud de onda de 121,6 nanómetros. Esta longitud de onda pertenece al rango UV y es la línea espectral de hidrógeno más fuerte. Sin embargo, la expansión cósmica cambia el espectro del cuásar a longitudes de onda más largas cuanto más viaja la luz. Por lo tanto, el corrimiento al rojo de la línea de absorción UV observada se puede traducir a la distancia desde la Tierra. En este estudio, el efecto había movido la línea ultravioleta al rango infrarrojo cuando llegaba al telescopio.

Dependiendo de la fracción entre gas hidrógeno neutro e ionizado, el grado de absorción, o inversamente, la transmisión a través de dicha nube, alcanza un valor particular. Cuando la luz se encuentra con una región con una alta fracción de gas ionizado, no puede absorber la radiación UV tan eficientemente. Esta propiedad es lo que el equipo estaba buscando.

La luz del cuásar atraviesa muchas nubes de hidrógeno a diferentes distancias en su camino, cada una de las cuales deja su huella en corrimientos al rojo más pequeños del rango ultravioleta. En teoría, el análisis del cambio en la transmisión por línea desplazada hacia el rojo debería arrojar el tiempo o la distancia a la que el gas de hidrógeno se ionizó por completo.

Desde la Tierra, siempre estamos mirando hacia el pasado del cosmos. La luz de los cuásares distantes del universo primitivo atravesó el gas ya parcialmente ionizado de la época de reionización, dispuesto alrededor de las galaxias primitivas. El gas de hidrógeno neutro entre las galaxias produce las firmas de absorción. Debido a la expansión del universo, las líneas de absorción aparecen desplazadas hacia el rojo de manera diferente al rango UV. Crédito: departamento de gráficos MPIA

Los modelos ayudan a desenredar las influencias en competencia

Desafortunadamente, las circunstancias son aún más complicadas. Desde el final de la reionización, solo el espacio intergaláctico está completamente ionizado. Hay una red de materia parcialmente neutra que conecta galaxias y cúmulos de galaxias, llamada «red cósmica». Donde el gas de hidrógeno es neutral, también deja su marca en la luz del cuásar.

Para desentrañar estas influencias, el equipo aplicó un modelo físico que reproduce las variaciones medidas en una época muy posterior, cuando el gas intergaláctico ya estaba completamente ionizado. Cuando compararon el modelo con sus resultados, descubrieron una desviación en una longitud de onda en la que la línea de 121,6 nanómetros se desplazó por un factor de 5,3 veces correspondiente a una edad cósmica de 1100 millones de años. Esta transición indica el momento en que los cambios en la luz medida del cuásar se vuelven inconsistentes con las fluctuaciones de la red cósmica solamente. Por lo tanto, ese fue el último período en el que el gas de hidrógeno neutro debe haber estado presente en el espacio intergaláctico y posteriormente se ionizó. Era el final del «amanecer cósmico».

El futuro es brillante

«Este nuevo conjunto de datos proporciona un punto de referencia crucial contra el cual se probarán las simulaciones numéricas de los primeros mil millones de años del universo en los próximos años», dice Frederick Davies. Ayudarán a caracterizar las fuentes ionizantes, las primeras generaciones de estrellas.

«La dirección futura más emocionante para nuestro trabajo es expandirlo incluso a épocas anteriores, hacia el punto medio del proceso de reionización», señala Sarah Bosman. «Desafortunadamente, las distancias mayores significan que esos cuásares anteriores son significativamente más débiles. Por lo tanto, el área de recolección ampliada de los telescopios de próxima generación, como el ELT, será crucial».

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