El amanecer cósmico ocurrió 250 a 350 millones de años después del Big Bang

Una imagen en color del cúmulo de galaxias utilizada para detectar una de las seis galaxias, MACS0416-JD. 
Esta galaxia tiene una edad estimada de 351 millones de años, lo que significa que esta galaxia se formó 178 millones de años después del Big Bang. La masa estelar de esta galaxia es mil millones de veces la masa del Sol. Este objeto es actualmente la galaxia más distante detectada con ALMA. 
Crédito: ESA / Hubble, NASA, HST Frontier Fields.

El amanecer cósmico, cuando las estrellas se formaron por primera vez, ocurrió entre 250 millones y 350 millones de años después del comienzo del universo. Este es el resultado de un nuevo estudio dirigido por investigadores de la UCL y la Universidad de Cambridge.

El estudio, sugiere que el Telescopio Espacial James Webb (JWST) de la NASA, será lo suficientemente sensible como para observar el nacimiento de galaxias directamente. Su lanzamiento está programado para Noviembre. El estudio fue publicado en ‘Monthly Notices of the Royal Astronomical Society’.

Analizando imágenes de los telescopios espaciales Hubble y Spitzer, los investigadores calcularon la edad de estas galaxias en un rango de 200-300 millones de años, lo que permite una estimación de cuándo se formaron sus estrellas por primera vez.

El equipo de investigación dirigido por el Reino Unido examinó seis de las galaxias más distantes que se conocen actualmente. Su luz ha tardado la mayor parte de la vida del universo en llegar hasta nosotros. Descubrieron que la distancia de estas galaxias a la Tierra correspondía a un tiempo de “mirada atrás” de hace más de 13 mil millones de años. Esto es cuando el universo tenía solo 550 millones de años.

El video muestra la formación y evolución de las primeras estrellas y galaxias en un universo virtual similar al nuestro.
La simulación comienza justo antes del amanecer cósmico, cuando el universo estaba desprovisto de luz estelar. Se extiende hasta la época de 550 millones de años después del Big Bang. Ese es el momento cuando se observan las seis galaxias analizadas por el Dr. Laporte y sus colegas
.
Crédito: Harley Katz / University of Oxford.

Una búsqueda importante en astronomía

El autor principal, el Dr. Nicolas Laporte (Universidad de Cambridge), quien inició el proyecto mientras estaba en UCL. “Los teóricos especulan que el universo fue un lugar oscuro durante los primeros cientos de millones de años. Esto es antes de que se formaran las primeras estrellas y galaxias, dijo. 

“Ser testigo del momento en que el universo fue bañado por primera vez por la luz de las estrellas es una búsqueda importante en astronomía.»

“Nuestras observaciones indican que el amanecer cósmico ocurrió entre 250 y 350 millones de años después del comienzo del universo. En el momento de su formación, galaxias como las que estudiamos habrían sido lo suficientemente luminosas para ser vistas con el Telescopio Espacial James Webb.»

Buscando la firma de hidrógeno para estimar la edad de las galaxias

Los investigadores analizaron la luz de las estrellas de las galaxias según lo registrado por los telescopios espaciales Hubble y Spitzer. Examinaron un marcador en su distribución de energía indicativo de la presencia de hidrógeno atómico* en sus atmósferas estelares. Esto proporciona una estimación de la edad de las estrellas que contienen.

Esta firma de hidrógeno aumenta en fuerza a medida que la población estelar envejece, pero disminuye cuando la galaxia tiene más de mil millones de años. La dependencia de la edad surge porque las estrellas más masivas que contribuyen a esta señal queman su combustible nuclear más rápidamente, entonces mueren primero.

El coautor, el Dr. Romain Meyer (Física y Astronomía de la UCL y el Instituto Max Planck de Astronomía en Heidelberg, Alemania). “Este indicador de edad se usa para fechar estrellas en nuestro propio vecindario galáctico. Pero también se puede usar para fechar galaxias extremadamente remotas, vistas en un período muy temprano del universo», dijo Meyer.

«Con este indicador podemos inferir que, incluso en estos primeros tiempos, nuestras galaxias tienen entre 200 y 300 millones de años».

Estimando la distancia de estas galaxias

Al analizar los datos de Hubble y Spitzer, los investigadores necesitaban estimar el «corrimiento al rojo» de cada galaxia. Eso indica su distancia cosmológica y, por lo tanto, el tiempo retrospectivo en el que se están observando. Para lograr esto, realizaron mediciones espectroscópicas utilizando el arsenal completo de potentes telescopios terrestres. Estos son: el Atacama Large Millimeter Array (ALMA) de Chile, el European Very Large Telescope, los telescopios gemelos Keck en Hawai y el telescopio Gemini-South.

Estas mediciones permitieron confirmar que mirar estas galaxias correspondía a mirar atrás a una época en la que el universo tenía 550 millones de años.

Alcanzando el límite de nuestras capacidades de observación; esperando al telescopio James Webb

Otro coautor, es el Profesor Richard Ellis (UCL de Física y Astronomía), que ha rastreado galaxias cada vez más distantes a lo largo de su carrera. “Durante la última década, los astrónomos han empujado las fronteras de lo que podemos observar. Las han llevado a una época en que el universo tenía sólo el 4% de su edad actual. Sin embargo, debido a la transparencia limitada de la atmósfera terrestre y las capacidades de los telescopios espaciales Hubble y Spitzer, hemos llegado a nuestro límite.

“Ahora esperamos ansiosos el lanzamiento del telescopio espacial James Webb, que creemos tiene la capacidad de presenciar directamente el amanecer cósmico.

“La búsqueda para ver este momento importante en la historia del universo ha sido un santo grial en astronomía durante décadas. Dado que estamos hechos de material procesado en estrellas, esto es, en cierto sentido, la búsqueda de nuestros propios orígenes «. **

Instituciones que intervinieron y financiamiento

El nuevo estudio involucró a astrónomos de la Universidad de California-Santa Cruz, la Universidad de California y la Universidad de Texas.

Los investigadores recibieron el apoyo de varias instituciones. Ellas fueron la Fundación Kavli, el Consejo Europeo de Investigación, la NASA y la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) en los Estados Unidos.

El telescopio espacial James Webb

El telescopio espacial James Webb dirigido por la NASA, el sucesor del observatorio Hubble, está programado para ser lanzado al espacio en Noviembre. Será el principal observatorio durante la próxima década, al servicio de miles de astrónomos en todo el mundo. Consta de un observatorio de infrarrojos, un inmenso espejo de 6,5 metros de ancho y un parasol en forma de diamante. Los científicos de UCL en el Laboratorio de Ciencias Espaciales Mullard han construido y probado componentes de hardware clave para el NIRSpec. Este es el Espectrógrafo de Infrarrojo Cercano), uno de los cuatro instrumentos del telescopio.

* El hidrógeno atómico es hidrógeno que no se ha dividido en protones y electrones.

** Todos los elementos más pesados ​​del universo, todo excepto el hidrógeno, el helio y el litio, se sintetizan en las estrellas. Luego se siembran en todo el universo cuando las estrellas explotan al final de sus vidas. Esto incluye los elementos que componen a los humanos: el calcio en nuestros huesos, el hierro en nuestra sangre.

Links

Fuente: University College London.

Artículo original: «Cosmic dawn occurred 250 to 350 million years after Big Bang.» June 24, 2021.

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Crédito:
ESA / Hubble, M. Kornmesser, CC BY 4.0
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