El Universo no comenzó como lo vemos hoy, brillando con luz. Durante los primeros 500 millones de años, fue una oscuridad turbia y neutra llena de hidrógeno. Entonces algo comenzó a excitar el hidrógeno con radiación, ionizándolo, y he aquí, había luz.

No sabemos qué causó finalmente que la primera luz ultravioleta brillara. Pero las nuevas observaciones del telescopio espacial infrarrojo Spitzer de la NASA nos acaban de dar una pista bastante importante. En los confines de los comienzos del Universo, vio galaxias extrañas que son mucho más luminosas de lo esperado.

Reunir esos primeros años ha sido bastante difícil, pero la línea de tiempo de la Época de Reionización, como se la conoce, está bastante bien establecida.

Justo después del Big Bang, el Universo era una especie de «sopa primordial» oscura y caliente en una escala cósmica que se expandía rápidamente.

A medida que el Universo se expandió, se enfrió, lo que provocó que los protones y los neutrones comenzaran a combinarse en átomos de hidrógeno ionizados. Luego de 240.000-300.000 años después del Big Bang, estos átomos de hidrógeno atrajeron a los electrones y se unieron en hidrógeno neutro.

Pero no fue hasta que la gravedad comenzó a juntar las primeras estrellas y galaxias en este vacío turbio y lleno de hidrógeno cuando apareció la luz estelar, cuando los rayos ultravioleta, gamma y rayos X comenzaron a chocar con el hidrógeno neutro, despojándolo de electrones e ionizándolo.

Por mil millones de años después del Big Bang, el Universo era transparente y brillante.

Y se hizo la luz

¿Pero cómo? Dado todo el hidrógeno neutro en el Universo en este punto, habría sido necesaria una gran cantidad de radiación para generar luz, y no está claro qué pudo haber existido en abundancia suficiente para producir dicha radiación. ¿Habrían bastado las estrellas recién nacidas? ¿Galaxias luminosas? ¿Cuasares aún no detectados, o una combinación de los tres?

Stephane De Barros, de la Universidad de Ginebra, dijo en un comunicado:

“Es una de las mayores preguntas abiertas en la cosmología observacional. Sabemos que sucedió, pero ¿qué lo causó? Estos nuevos hallazgos podrían ser una gran pista”.

En una carrera de observación especial para tratar de encontrar la respuesta, Spitzer pasó cientos de horas mirando dos regiones separadas del cielo nocturno. A más de 13 mil millones de años luz de distancia, solo 730 millones de años después del Big Bang, se observaron 135 galaxias que eran muy diferentes de las más cercanas a nosotros.

Misterio cósmico resuelto: galaxias extrañamente brillantes del universo temprano
Crédito: NASA/JPL-Caltech/ESA/Spitzer/P. Oesch/S. De Barros/I.Labbe

Arriba: Vista de campo profundo del cielo que muestra galaxias débiles y distantes en círculo rojo. El recuadro muestra la luz obtenida de una débil galaxia durante una observación de larga duración.

Como se esperaba de las galaxias en el Universo primitivo, son muy pobres en elementos pesados, que se forjan en procesos explosivos y, por lo tanto, no existían en grandes cantidades hasta que unas pocas generaciones de estrellas habían vivido y muerto. En su lugar, estas galaxias están dominadas por estrellas jóvenes, grandes y calientes, en su mayoría de hidrógeno y helio, aunque los rastros de elementos más pesados ​​indican que no eran la primera generación de estrellas del Universo.

Las galaxias son particularmente brillantes en dos longitudes de onda infrarrojas que se producen por la interacción entre la radiación ionizante y los gases de hidrógeno y oxígeno. Estas galaxias podrían haber contribuido a la Época de Reionización.

Garth Illingworth, astrónomo de UC Santa Cruz, dijo en un comunicado:

“Durante más de 10 años, hemos estado estudiando con Hubble y Spitzer algunas de las galaxias más antiguas y distantes conocidas. Nuestro último resultado de Spitzer revela cuán diferentes son estas galaxias tempranas a las de otros tiempos y señala nuestra muestra como un conjunto clave para proporcionar información sobre cómo las galaxias reionizaron el universo de manera tan eficiente”.

Por supuesto, esos otros factores, estrellas individuales, quásares increíblemente brillantes, también pueden haber contribuido. La Época de Reionización no fue solo un evento único y luego BOOM, la luz estaba allí; era más como el levantamiento lento de una cortina, un proceso que tuvo lugar durante cientos de millones de años. Así que es probable que haya más de un factor involucrado.

El telescopio espacial Spitzer se lanzó en 2003 y ha logrado avances asombrosos en la astronomía infrarroja. El próximo telescopio infrarrojo de la NASA, WFIRST, se encuentra actualmente en desarrollo, con una fecha de lanzamiento planificada en algún momento en 2025.

Una de sus misiones principales es absolutamente tratar de arrojar más luz sobre la Época de Reionización, ya que muchas de esas galaxias del Universo primigenio son más fuertes en longitudes de onda infrarrojas. Pero el Telescopio Espacial James Webb, el sucesor del Hubble, también lo intentará.

La investigación ha sido publicada en los Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

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