La reionización es un período crítico en el que las primeras estrellas y galaxias cambiaron la estructura física de su entorno y, finalmente, de todo el universo. Las teorías establecidas afirman que esta época terminó alrededor de mil millones de años después del Big Bang. Sin embargo, si se calcula este hito utilizando observaciones del telescopio espacial James Webb (JWST), la reionización habría terminado al menos 350 millones de años antes de lo esperado, según un nuevo artículo publicado en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters.
A lo largo de su historia, el universo ha sufrido varios cambios importantes. Durante los primeros 380.000 años después del Big Bang, era un plasma caliente y denso de protones y electrones. Finalmente, las cosas se enfriaron lo suficiente para que esos protones y electrones se combinaran y formaran átomos de hidrógeno neutros. Luego, alrededor de 100 millones de años después del Big Bang, comenzaron a formarse las primeras estrellas y galaxias, lo que marcó el comienzo de la época de la reionización.
Esas primeras estrellas eran enormes y calientes (se predice que algunas serían de 30 a 300 veces más masivas que nuestro Sol) y emitían mucha energía en forma de luz ultravioleta extrema. Esta energía era tan intensa que cuando chocaba con átomos de hidrógeno cercanos, los dividía en protones y electrones en un proceso llamado ionización. Después de cientos de millones de años, cuando casi todo el hidrógeno del universo se ionizó, la época de reionización terminó.
Teniendo en cuenta que aproximadamente el 75% de toda la materia es hidrógeno, esto representa una inmensa transformación. «Este es el último gran cambio que se produjo», explicó Julián Muñoz, profesor adjunto de astronomía en la Universidad de Texas en Austin y autor principal del artículo. «Pasamos de neutrales, fríos y aburridos a ionizados y calientes. Y esto no es algo que solo le ocurrió a una o dos galaxias. Le ocurrió a todo el universo».
«El proceso calentó e ionizó el gas del universo, lo que reguló la velocidad con la que crecieron y evolucionaron las galaxias», añadió John Chisholm, profesor adjunto de astronomía en la Universidad de Texas en Austin y coautor del artículo. «Estas primeras estrellas establecieron la estructura general de las galaxias en el universo».
Como los astrónomos no pueden observar el proceso de reionización directamente, deben utilizar modelos para predecir cuándo terminó. Estos modelos se basan en evidencia indirecta, incluidas las mediciones de cuánta luz nos ha llegado desde el resplandor del Big Bang, llamado Fondo Cósmico de Microondas.
Otra evidencia es una abundancia temprana de la longitud de onda asociada con los cambios de energía en el hidrógeno, llamada Bosque Lyman-alfa. Ambos ayudan a los astrónomos a calcular cuánto hidrógeno se transformó durante la reionización y, por extensión, cuánta energía se necesitó para hacerlo.
«Es un juego de contabilidad», dijo Muñoz. «Sabemos que todo el hidrógeno era neutro antes de la reionización. A partir de ahí, se necesita suficiente ultravioleta extremo para dividir cada átomo. Así que, al final del día, se pueden hacer los cálculos para averiguar cuándo terminó la reionización».
Ahora, el telescopio espacial James Webb está desafiando los modelos establecidos. Con él, los astrónomos pueden observar más allá del cosmos que nunca, profundamente en esta época crítica. Esto está llevando a muchas observaciones inesperadas en el universo temprano, una de las cuales es una mayor abundancia de galaxias que emiten ultravioleta extremo de lo esperado. «JWST ha revelado que las galaxias brillantes son suficientes para ionizar el universo por sí mismas», dijo Chisholm. «Esto es contrario a lo que muchas personas anticiparon».
Por lo tanto, con estas nuevas observaciones, las cuentas ahora están equivocadas. «Si confiara ciegamente en James Webb, le diría que la reionización terminó entre 550 y 650 millones de años después del Big Bang, en lugar de las estimaciones actuales de 1.000 millones de años», explicó Muñoz. «Si esto fuera cierto, el Fondo Cósmico de Microondas se vería diferente, y el Bosque Lyman-alfa se vería diferente. Por lo tanto, hay una tensión».
En otras palabras, es poco probable que la reionización haya ocurrido cientos de millones de años antes de lo previsto. Entonces, ¿qué está pasando? Una explicación podría ser que los modelos establecidos carecen de cierta información clave. Por ejemplo, a veces los protones y electrones ionizados se volverían a unir para volver a formar átomos de hidrógeno neutros. Este proceso se llama recombinación. Si sucediera con más frecuencia de lo que suponen los modelos actuales, eso podría aumentar la cantidad de luz ultravioleta extrema necesaria para ionizar todo el universo.
«Necesitamos observaciones más detalladas y profundas de las galaxias, y una mejor comprensión del proceso de recombinación», dijo Munoz. «Resolver esta tensión sobre la reionización es un paso clave para comprender finalmente este período crucial. Estoy emocionado por ver qué nos deparan los próximos años».
Otros autores del estudio son Jordan Mirocha, del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA y del Instituto de Tecnología de California; Steven Furlanetto, de la Universidad de California en Los Ángeles, y Charlotte Mason, de la Universidad de Copenhague.
Con información de Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters
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