Averiguan, por fin, quién 'encendió las luces' en el Universo

El Universo, tal como lo conocemos hoy, es un vasto tapiz repleto de galaxias brillantes, estrellas resplandecientes y gas interestelar disperso. Pero no siempre fue así. Hubo un período oscuro, justo después del Big Bang, durante el que los fotones, las partículas que transportan la luz, no podían aún viajar libremente. Por aquel entonces, el Universo no era más que una especie de 'sopa' opaca de hidrógeno neutro, sin estrellas ni galaxias que lo iluminaran. Un lienzo en blanco esperando su primera pincelada de luz.

Pero esa luz no llegó de inmediato. Antes, debían producirse toda una serie de otros acontecimientos. Sólo después de unos 300.000 años tras el Big Bang, en efecto, el Universo, que al principio no fue más que una nube ardiente de quarks y gluones a miles de millones de grados de temperatura, se enfrió lo suficiente como para permitir que esas partículas se unieran protones y neutrones, que después empezaron a combinarse y a capturar electrones para formar a su vez los primeros átomos de hidrógeno neutro y helio. Gases que, como una densa niebla, atrapaban la luz y hacían que el cosmos fuera un lugar oscuro.

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Bajo los dictados de la gravedad, el hidrógeno y helio primordiales también empezaron a unirse para formar las primeras estrellas, colosales esferas de gas ardiente, algunas hasta 300 veces más masivas que nuestro Sol y millones de veces más brillantes. Estrellas, sin embargo, efímeras, que vivieron solo unos pocos millones de años antes de estallar como supernovas. Pero estas estrellas pusieron en marcha algo importante. Su luz ultravioleta, increíblemente energética, fue capaz de 'arrancar' los electrones de los átomos de hidrógeno, un proceso conocido como ionización. Así, el hidrógeno neutro se fue transformando, muy poco a poco, en plasma ionizado, permitiendo que la luz pudiera empezar a viajar libremente por el espacio. Este período, que empezó con el final de la edad oscura, 380.000 años después del Big Bang y que duró hasta que el Universo tuvo aproximadamente mil millones de años, es lo que los astrónomos conocen como la 'época de la reionización'.

Durante décadas, los científicos se han devanado los sesos intentando identificar las fuentes exactas de esta radiación ionizante. Las primeras teorías sugerían que grandes agujeros negros, que al acelerar la materia a su alrededor hacen que brille con una luz deslumbrante, o puede galaxias masivas en pleno apogeo de formación estelar, con sus jóvenes y luminosas estrellas, eran los principales responsables. Después de todo, las estrellas recién nacidas producen una gran cantidad de luz ultravioleta. Sin embargo, no resultaba sencillo observar el Universo primigenio, tan tenue y lejano en el tiempo y el espacio, para comprobarlo. Era como intentar distinguir la tenue luz de una vela a miles de kilómetros de distancia y a través de una densa niebla.

Y entonces llegó el Telescopio Espacial James Webb (JWST), el telescopio más grande y potente jamás puesto en órbita, una herramienta capaz, como ninguna otra, de mirar hacia atrás en el tiempo y observar directamente los albores de la creación. Una de las principales misiones del Webb, de hecho, es precisamente esa: asomarse a esta era crucial en la formación de nuestro Universo y desvelar sus secretos. El Webb lo ha hecho. Y no sólo ha revelado todo tipo de sorpresas sobre este desconocido periodo, sino que ha encontrado, por fin, a los verdaderos protagonistas de la reionización.

Bajo la dirección de Hakim Atek, del Instituto de Astrofísica de París, un equipo internacional de astrónomos utilizó los datos recopilados por el poderoso telescopio espacial de un cúmulo de galaxias llamado Abell 2744, también conocido como el Cúmulo de Pandora.

Datos que consiguió obtener gracias al fascinante fenómeno de las lentes gravitacionales. Abell 2744 es tan masivo que deforma el espacio-tiempo a su alrededor de manera significativa, igual que una bola de hierro deforma la superficie de una sábana tensa. Esa curvatura del tejido espaciotemporal actúa como una lupa cósmica, magnificando y distorsionando la apariencia de las galaxias mucho más distantes que se encuentran detrás del cúmulo. Sin esta 'lente', esas galaxias tan lejanas serían invisibles incluso para el Webb. Gracias a este efecto de aumento, los investigadores lograron estudiar fuentes de luz extremadamente lejanas, mucho más allá de Abell 2744, revelando ocho galaxias extremadamente tenues que de otro modo habrían sido indetectables.

Las observaciones del Webb, combinadas con datos del Telescopio Espacial Hubble, permitieron al equipo seleccionar galaxias extremadamente débiles que vivieron en plena época de la reionización. Luego, utilizaron el espectrógrafo de infrarrojo cercano (NIRSpec) del Webb para analizar su luz y determinar su composición, temperatura y otras propiedades. Los resultados fueron sorprendentes. El equipo, en efecto, descubrió que estas galaxias enanas no solo eran las más abundantes en el Universo temprano, sino que también eran inmensas productoras de radiación ionizante, cuatro veces más de lo que se había asumido previamente para galaxias mucho más grandes.

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«Este descubrimiento -afirma Iryna Chemerynska, coautora del estudio- revela el papel crucial que desempeñaron las galaxias ultra-débiles en la evolución temprana del Universo. Producen fotones ionizantes que transforman el hidrógeno neutro en plasma ionizado durante la reionización cósmica. Lo cual subraya la importancia de comprender las galaxias de baja masa en la configuración de la historia del Universo».

Atek por su parte, añade que «colectivamente, estas 'centrales eléctricas' cósmicas emiten energía más que suficiente para hacer el trabajo. A pesar de su pequeño tamaño, estas galaxias de baja masa son prolíficas productoras de radiación energética, y su abundancia durante este período es tan grande que su influencia colectiva puede transformar por completo el estado del Universo».

En otras palabras, aunque individualmente son pequeñas, la gran cantidad de estas galaxias enanas en el Universo temprano las convirtió en las principales responsables de 'encender las luces'. Su producción colectiva de fotones ionizantes fue la fuerza que impulsó la disipación de la niebla de hidrógeno.

Es la primera vez que los científicos consiguen medir de un modo fiable la densidad numérica de estas pequeñas y débiles galaxias, confirmando que constituyen, con mucho, la población galáctica más abundante durante la época de la reionización. También es la primera vez que se ha medido el auténtico poder ionizante de estas galaxias, lo que permitió a los astrónomos determinar que produjeron suficiente radiación energética para ionizar por completo el Universo primitivo.

«La increíble sensibilidad del NIRSpec, combinada con la amplificación gravitacional proporcionada por Abell 2744 -concluye Atek-, nos permitió identificar y estudiar estas galaxias de los primeros mil millones de años del universo en detalle, a pesar de ser más de 100 veces más débiles que nuestra propia Vía Láctea».

Pese al éxito de los resultados, los investigadores señalan que aún hay mucho trabajo por hacer. No hay que olvidar que sus hallazgos se basan en observaciones obtenidas en una única 'parcela' del Universo primitivo. Por lo tanto, lo siguiente será verificar si esta población de galaxias enanas realmente es representativa de la distribución a gran escala de galaxias similares en el Universo temprano, o si por el contrario es algo exclusivo de regiones muy densas, como la recién estudiada.

Para averiguarlo, el equipo tiene previsto un próximo programa de observación con el Webb, llamado GLIMPSE, que llevará a cabo las observaciones más profundas jamás realizadas en el cielo. Al apuntar a otro cúmulo de galaxias, Abell S1063, será posible identificar, gracias al mencionado fenómeno de lente gravitacional, galaxias aún más débiles y lejanas durante la época de la reionización. Observaciones que, además de verificar las conclusiones de este estudio, ayudarán a los astrónomos a explorar un período conocido como el 'Amanecer Cósmico', cuando el universo tenía sólo unos pocos millones de años. Lo que nos permitirá entender mucho mejor lo que sigue siendo uno de los mayores misterios del cosmos: cómo llegaron a formarse las primeras galaxias.