Y se hizo la luz
Durante cientos de millones de años, una nube de gas opaco encapotó el universo, hasta que fue electrificado por una intrigante fuente de radiación. Te contamos las últimas hipótesis sobre este rompecabezas de la astronomía moderna.
Durante cientos de millones de años, una nube de gas opaco encapotó el universo, hasta que fue electrificado por una intrigante fuente de radiación. Te contamos las últimas hipótesis sobre este rompecabezas de la astronomía.
En marzo de 2016 se anunciaba el descubrimiento de la galaxia más lejana conocida, la GN-z11, justo en el límite de detectabilidad del telescopio espacial Hubble. Situada en la constelación de la Osa Mayor, hoy la observamos tal como era hace 13.400 millones de años, tan solo 400 millones después del big bang. Comparada con la Vía Láctea, GNz11 es veinticinco veces más pequeña y tiene el 1 % de su masa, pero en ella nacen estrellas –o nacían hace 13.400 millones de años– a un ritmo veinte veces mayor.
En los últimos años, se han descubierto otros remotos objetos similares a este, y algunos también se han identificado como galaxias. Pero ¿por qué es importante observarlos? Para entenderlo debemos retrotraernos hasta hace medio siglo, cuando la cosmología estaba en uno de sus momentos más excitantes y dos hipótesis competían por explicar el origen del universo.
La primera era el big bang, una idea lanzada al ruedo científico por el sacerdote belga Georges Lemaître en los años 20 y puesta en negro sobre blanco por el ucraniano George Gamow a finales de los 40. La segunda, la teoría del estado estacionario, contaba con otro serio paladín: el genial Fred Hoyle. Este postulaba que el universo era
EL COSMOS SE CONVIRTIÓ EN UN MAR FRÍO DE HIDRÓGENO Y HELIO
eterno y la materia se creaba de manera incesante.
En los años 60, las espadas seguían en alto, pues todavía no había pruebas fehacientes para decantarse por uno de los dos bandos en liza. Fue entonces cuando el cosmólogo de Princeton Robert H. Dicke (1916-1997) se planteó la siguiente pregunta: si el universo se originó con una explosión, ¿no es posible que aún podamos escuchar algún eco de aquel chupinazo? Por algún lado debía de haber restos de radiación.
UN MUNDO INVISIBLE DE FOTONES Y PARTÍCULAS EN COLISIÓN
Dicke propuso a uno de sus estudiantes, Jim Peebles, que se pusiera a calcular lo que veríamos si realmente el cosmos hubiese nacido de este modo, y dedujo que debía de existir un fondo de radiación de microondas cubriendo todo el espacio. Por esas casualidades de la vida, en ese mismo momento estaba siendo observado y traía de cabeza a dos radioastrónomos de la compañía Bell, Arno Penzias y Robert Wilson: el big bang acababa de ganar la partida.
Pues bien, el ruido de fondo registrado por Penzias y Wilson proviene de cuando el universo tenía 300.000 años de edad. Hasta ese momento, su historia se había caracterizado por la monotonía, únicamente rota por fotones chocando contra el plasma que llenaba el espacio; electrones libres; y núcleos de hidrógeno y helio moviéndose a velocidades frenéticas. La luz era incapaz de escapar de esas continuas colisiones, por lo que el cosmos era opaco a la radiación.
Pero la temperatura cósmica descendió lo suficiente para que los núcleos de hidrógeno y helio atraparan los electrones que volaban a su alrededor y se convirtieran en átomos neutros, con lo que los fotones dejaron de interaccionar con la materia. Este momento de desacoplamiento hizo que el universo se volviera transparente: la luz pudo escapar y hoy la podemos ver en forma de la radiación en el rango de las microondas que permea el espacio. Es lo más antiguo que podemos observar, pero paradójicamente marca el comienzo de lo que se ha dado en llamar la edad oscura del universo.
LA FUERZA DE GRAVEDAD EMPEZÓ A FABRICAR ESTRELLAS Y GALAXIAS
Porque durante los siguientes 500 millones de años se instaló otra vez el aburrimiento. Los núcleos de hidrógeno y helio iban atrapando los electrones que hasta ese momento se movían libremente por el espacio. El cosmos, cada vez más frío a medida que continuaba su expansión, se convirtió en un mar gaseoso compuesto por helio –una cuarta parte– e hidrógeno –el resto–, con trazas de berilio y de litio, el elemento con el que se fabrican las baterías de nuestros dispositivos electrónicos.
Una niebla oscura y opaca cubría todos los rincones. Y, sin embargo, algo se gestaba debajo de esa apariencia tan tranqui-
la: la ubicua fuerza de la gravedad hacía silenciosamente su trabajo aglutinando la materia, lo que dio lugar a una especie de renacimiento cósmico. Por fin entraron en escena estrellas, galaxias y cuásares, objetos megabrillantes cuyo motor es un gran agujero negro con una masa de miles de millones de veces la del Sol.
Ahora bien, ¿cuándo se produjo la primera descarga creadora? El descubrimiento de GN-z11 y otras galaxias antiquísimas nos indica que la edad oscura no lo fue tanto. Lo que sí es cierto es que 800 millones de años después de la gran explosión se inició un proceso acelerado de creación que alcanzó su cúspide, con la mayoría de las estrellas y galaxias actuales ya formadas, entre 4.000 o 5.000 millones de años después.
Al igual que la bruma de la mañana se disipa al alba, la luz de las primeras estrellas cambió el aspecto del firmamento. Los átomos de hidrógeno –el componente esencial de esa sombra cósmica– perdieron sus electrones y dejaron de ser eléctricamente neutros, es decir, se ionizaron. Por segunda vez en su his- toria, los núcleos de hidrógeno volvían a quedarse solos, sin su electrón girando alrededor. Esta etapa de reionización, como la conocen los astrónomos, terminó por completo cuando el universo cumplió mil millones de años.
MUCHOS CREEN QUE EL ORIGEN ESTÁ EN LA LUZ DE LOS PRIMEROS ASTROS
Así fue la prehistoria del cosmos tal y como se ha ido reconstruyendo a partir de las pocas piezas observacionales que poseemos. Encontrar las galaxias pioneras no solo proporciona la emoción de contemplar objetos nacidos en los tiempos más remotos, sino que ayudaría a resolver una incógnita: ¿qué provocó la electri
ficación del cosmos? Es más, ¿de dónde procedía la ingente radiación necesaria?
Como ya hemos apuntado, la hipótesis más aceptada es que la luz ultravioleta emitida por las primeras estrellas provocó que el hidrógeno perdiera su electrón y pasara de nuevo a estado de plasma. Pero una espada de Damocles pende sobre esta hipótesis: ¿realmente se for- J
LAS ESTRELLAS FUGITIVAS QUIZÁ JUGARON UN PAPEL DECISIVO
mó la cantidad de astros necesaria para conseguirlo? Es más, aunque las primeras generaciones emitieran suficiente radiación, ¿cómo logró escapar esta del medio interestelar sin ser absorbida? Porque el hecho es que debió de recorrer enormes distancias para reionizar el universo a gran escala.
Algunos astrónomos sugieren que la explosión de estrellas masivas en forma de supernovas creó burbujas enormes en el medio interestelar, como los agujeros de un queso gruyer: por ahí pudo escapar la radiación ionizante. Otra alternativa fue propuesta en 2012 por Charlie Conroy y Kaitlin Kratter en The Astrophysical Journal. Estos astrónomos del Centro de Astrofísica HarvardSmithsonian sugirieron que quienes desempeñaron un papel decisivo fueron las llamadas estrellas fugitivas, que se catapultan a velocidades de más de 30 km/s desde la región donde nacen y pueden recorrer varios miles de años luz antes de morir. Se estima que el 30 % de los astros mucho más masivos que el Sol en la Vía Láctea son de este tipo.
Para Conroy y Kratter resulta razonable pensar que durante la infancia del cosmos esa proporción era mayor, pues la tasa de formación estelar era también más elevada. Por otro lado, teniendo en cuenta que las galaxias primigenias tenían menor tamaño que las actuales, los objetos fugitivos abandonarían con facilidad las zonas donde surgieron –densamente pobladas y ricas en gas– para alcanzar regiones mucho más tenues y, por consiguiente, más transparentes a la radiación.
CUÁSARES Y AGUJEROS NEGROS, POSIBLES FUENTES DE RADIACIÓN
¿Bastó entonces con la radiación ultravioleta de las estrellas? A Rachael Livermore, astrofísica en la Universidad de Texas, en Austin, sí le salen las cuentas, como acaba de publicar en The Astro
physical Journal. Pero no todos sus colegas lo suscriben, pues piensan que Livermore no ha eliminado correctamente la luz de los cúmulos galácticos que hacen un efecto de lente gravitacional –ver recuadro en la página siguiente– y permiten ver los objetos muy lejanos.
La búsqueda continúa. Un equipo de astrofísicos japoneses publicaba en el mes de marzo pasado el descubrimiento de 33 cuásares hasta diez veces me-
nos luminosos que los conocidos hasta ahora. A pesar de la poquísima luz que nos llega de ellos, los investigadores están convencidos de que van a calcular cuánta radiación ultravioleta emiten los superagujeros negros que alimentan tanto esos objetos cuasiestelares como el centro de las galaxias. Son candidatos muy prometedores.
Por si fuera poco, Richard Ellis, del Observatorio Europeo Austral (ESO), en Chile, ha publicado un hallazgo que dejaba perplejos a los astrónomos. Al analizar el espectro de la luz recibida desde una de las galaxias más remotas del cosmos descubrió que aparecían líneas correspondientes al nitrógeno ionizado. ¡Y la energía necesaria para arrancar un electrón de este átomo es mayor que para ionizar el hidrógeno! Según Ellis, debe haber otra fuente extra que la proporcione; él apuesta, precisamente, por el superagujero negro de dicha galaxia.
LOS ASTROS PRIMITIVOS ERAN MÁS CALIENTES Y BRILLANTES
En su opinión, la primera población de estrellas masivas y calientes alimentó el proceso de reionización durante cientos de millones de años. Pero con el tiempo esos astros murieron y los que vinieron detrás ya no fueron ni tan calientes ni tan brillantes, por lo que su capacidad ionizante estuvo mermada. Ahora bien, durante todo ese tiempo los superagujeros negros del centro de las galaxias y los cuásares fueron creciendo hasta que tomaron el relevo.
¿Es plausible este nuevo escenario? En ello trabaja Steve Finkelstein, de la Universidad de Texas, en Austin, que pretende determinar teóricamente cuántas estrellas y agujeros negros masivos contribuyeron al proceso de reionización en diferentes momentos de la historia del universo. Mientras, las esperanzas de la comunidad científica están puestas en el telescopio espacial James Webb, el sucesor del Hubble, que será lanzado el próximo año; quizá él nos dé la respuesta definitiva.