La primera luz del Universo Understand article

Traducido por José Luis García Herrero. Ana Lopes y Henri Boffin nos llevan de viaje al pasado, investigando la historia del Universo.

¿Alguna vez te has preguntado cuándo brilló la luz por primera vez en el Universo? Casi todos hemos observado alguna vez la salida del Sol por la mañana, el comienzo de un nuevo día. Los astrónomos dan un paso más y buscan las primeras fuentes de luz del Universo, observando su historia a través de potentes telescopios. Su última aspiración es aún más ambicioso: rastrear toda la historia del Universo; desde su inicio, el Big Bang, hasta el presente, casi 14.000 millones de años después.

Imágenes del Universo

Tuvieron que pasar unos 400.000 desde el Big Bang hasta que la luz pudo viajar libremente por el Universo. Desde que se produjo el Big Bang, el Universo se ha ido expandiendo y enfriando (para mayor detalle, consultar Boffin & Pierce-Price, 2007), estirando la alta frecuencia de esa luz primitiva, de tal modo que hoy en día se puede detectar en forma de fotones en el rango de las microondas: la radiación cósmica de fondo que nos llega de todas las partes del Universo.http://www.scienceinschool.org/node/1096#overlay=node/1096/edit

A menudo, los historiadores utilizan fotografías y otras imágenes para indagar sobre el pasado, y los astrónomos no difieren mucho de los historiadores en ese aspecto.

Gracias a las sondas COBE (Cosmic Background Explorer) y WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe)^w1 que han cartografiado la distribución de la radiación cósmica de fondo, los astrónomos han creado una “fotografía” del Universo tal y como era aproximadamente 400.000 años después del Big Bang. La información obtenida gracias a COBE supuso el Premio Nobel de Física de 2006 para John Mather y George Smoot^w2.

El modelo cosmológico estándar que explica la evolución del Universo nos dice que unos 400.000 años después del Big Bang, el Universo se había enfriado hasta una temperatura de alrededor de 3.000 grados Kelvin, una temperatura lo suficientemente baja para que todos los electrones y protones se combinaran entre sí, formando hidrógeno neutro a partir del gas ionizado. Los electrones del hidrógeno neutro (como en otros átomos y moléculas) absorben fotones de forma muy eficiente, así que un Universo lleno de hidrógeno neutro es opaco.

Al contrario, cuando protones y electrones se encuentran separados no pueden capturar fotones, por lo que un Universo lleno de gas ionizado, como fue el caso hasta unos 400.000 años tras el Big Bang, es relativamente transparente. Los mapas de COBE y WMAP nos muestran el Universo en su época opaca, al principio de la ”edad oscura” del Universo. Este período terminó cuando el Universo volvió a ser ionizado (ver diagrama de la derecha).

También tenemos «fotografías» de un Universo mucho más reciente: galaxias repletas de estrellas, tal y como eran 1.000 millones de años tras el Big Bang, cuando el Universo se volvió de nuevo transparente. Debido a que la velocidad de la luz es limitada (300.000 km/s), la luz proveniente de objetos lejanos tarda mucho más en llegarnos que la de los objetos cercanos; por lo tanto, vemos los objetos lejanos tal y como eran hace mucho tiempo. Gracias a la observación de objetos muy lejanos, los astrónomos pudieron ver la luz que había viajado durante casi 13.000 millones de años; es decir, vieron esos objetos como eran después de haber pasado menos de 1.000 millones de años tras el Big Bang.

Pero, ¿qué ocurrió entre estas dos fotografías, entre la emisión de la radiación cósmica de fondo 400.000 años después del Big Bang y la luz emitida por estas mismas galaxias tan lejanas casi 1.000 millones de años después? ¿Cuándo y cómo se levantó la niebla cósmica? ¿Qué hizo que un mar de partículas casi vacío de estructura se convirtiera en un Universo iluminado por numerosas estrellas en galaxias jóvenes?

Como explica Abraham Loeb, astrónomo de la Universidad de Harvard: “La situación en la que se encuentran los astrónomos es similar a disponer de un álbum de fotos que contiene la primera imagen por ultrasonidos de un bebé aún por nacer y unas cuantas fotos más de la misma persona de adolescente y de adulto” (Loeb, 2006). Lo que desconocen los científicos, pero están intentado descubrir, es cuándo y cómo nacieron las primeras estrellas y galaxias. Loeb añade: “Actualmente, los astrónomos buscan las páginas que faltan en el álbum de fotos cósmico, que nos mostrarán cómo evolucionó el Universo durante su infancia y creó las piezas con las que se forman galaxias como nuestra propia Vía Láctea”.

Antes de que se creara ninguna estrella, el Universo contenía fundamentalmente hidrógeno, helio y algunas trazas de elementos ligeros (como se describe en Rebusco et al., 2007). Ionizar hidrógeno requiere un exceso de energía de 13.6 eV, el tipo de energía correspondiente a fotones en el rango del ultravioleta (UV). Por lo tanto, lo que provocara la reionización del Universo debió liberar cantidades considerables de radiación UV.

Aunque los astrónomos no conocen con certeza qué pudo liberar esta radiación UV ionizante, especulan con la idea de que o bien fueron las primeras estrellas que tenían temperaturas muy altas, o bien agujeros negros tempranos, que liberaron ingentes cantidades de radiación UV a medida que absorbían materia. Si fuera éste el caso, las estrellas se debieron formar antes de la era de la reionización, por lo que si pudiéramos datarla, dispondríamos al menos de una última fecha de la aparición de las primeras estrellas.

La huella ultravioleta

En 1965, los astrónomos estadounidenses James Gunn y Bruce Peterson predijeron que se podía utilizar el espectro de quásares para datar las últimas fases de la era de la reionización. Los quásares son galaxias muy distantes y antiguas de gran luminosidad, y se piensa que obtienen su energía por el material que absorbe un agujero negro situado en su centro. Si el quásar se encuentra tan lejos que la luz que observamos salió de él en la «época oscura», su luz UV tendría que haber sido absorbida por el hidrógeno neutro que se encontraba presente en aquel tiempo; si el quásar está más cerca y la luz que observamos se emitió tras la reionización, no tendría que haber habido hidrógeno neutro que lo impidiera (ver diagrama inferior). (Téngase en cuenta que mientras que los átomos de hidrógeno neutro absorben luz de todas las longitudes de onda, la mayoría de éstas son reemitidas después. Sin embargo, la luz UV ioniza los átomos y se absorbe por completo).

Incluso si una pequeñísima parte del medio intergaláctico (tan pequeña como una millonésima parte) se hubiera encontrado en estado neutro cuando el quásar emitió la luz que ahora vemos desde la Tierra, habría dejado una huella perceptible en el espectro: la supresión de luz en el rango UV, conocida como canal de Gunn-Peterson.

Por tanto, James Gunn y Bruce Peterson predijeron que los quásares situados a cierta distancia de la Tierra, cuya luz fue emitida antes de que hubiera concluido la reionización, mostrarían un “canal” en sus espectros. Los quásares más cercanos no mostrarían este efecto al haber emitido su luz tras el término de la reionización.

En 2001, un equipo de científicos liderados por Robert Becker, de la Universidad de California, confirmó la predicción de Gunn y Peterson: detectaron un claro canal en el espectro de un quásar muy lejano descubierto durante el Sloan Digital Sky Survey^w3, una enorme inspección astronómica que examinó el espectro de unos cien mil quásares.. El canal se encontraba en la zona infrarroja del espectro porque el quásar se encuentra muy lejano: su luz comenzó su viaje hasta la Tierra tan sólo unos 900 millones de años tras el Big Bang y ha tardado casi 13.000 millones de años en llegar hasta nosotros, por lo que durante este tiempo su luz inicialmente UV se ha alargado (corrimiento hacia el rojo) hasta el rango del infrarrojo a causa de la expansión del Universo. Los espectros de los quásares que se encuentran un poco más cerca de la Tierra no muestran ningún canal. Esto indicaba que las últimas zonas del Universo que contenían hidrógeno neutro se ionizaron unos 900 millones de años después del Big Bang.

La huella de microondas

La radiación cósmica de fondo liberada poco después del Big Bang es otra fuente de información sobre la era de la reionización.

Cuando el Universo comenzó a reionizarse, los electrones que se liberaron afectaron a la polaridad de la luz. Un electrón libre puede interactuar con un fotón en un proceso denominado dispersión de Thomson: el electrón se acelera y la luz incidente es polarizada a lo largo de la dirección de movimiento del electrón. Este efecto fue más pronunciado durante y justo después de la reionización; posteriormente, debido a la expansión del Universo, la densidad de electrones libres decreció, reduciéndose el efecto de polarización.

TEntre 2001 y 2006, la sonda WMAP^w1 estudió el grado de polarización de la radiación cósmica de fondo. Analizando diferentes frecuencias de luz, los astrónomos pudieron estudiar diferentes períodos de la historia del Universo, y el grado de polarización de la luz sirvió como indicador de la densidad de electrones libres presentes en cada época (a mayor polarización, mayor densidad de electrones). Gracias a estas investigaciones, pudieron deducir que la reionización comenzó unos 400 millones de años después del Big Bang, y terminó entre 400 y 500 millones de años después. Esta conclusión está en consonancia con los descubrimientos hechos en la investigación de quásares: unos 900 millones de años tras el Big Bang.

Investigaciones futuras

El 14 de Mayo de 2009, la Agencia Espacial Europea^w4 puso en órbita la sonda Planck^w5 para obtener una fotografía de la radiación cósmica de fondo con aún mayor precisión y resolución angular que la obtenida por la sonda WMAP. Sin duda, los astrónomos dispondrán de más ayuda para conocer con mayor detalle cómo evolucionó el Universo desde su inicio a modo de sopa brillante hasta lo que vemos en la actualidad.

Aunque la época en la que se dio la reionización se ha identificado con éxito, aún nos falta disponer de una imagen del Universo de entonces, ya que los telescopios actuales no son capaces de obtenerla. Sin embargo, la buena noticia es que el Observatorio Europeo Austral (ESO), en colaboración con astrónomos e ingenieros de toda Europa, se encuentra en proceso de diseñar el Telescopio Europeo Extremadamente Grande (E-ELT, European Extremely Large Telescope)^w6, de 42 m de diámetro, que nos permitirá mirar atrás en el tiempo y probablemente observar la primera luz estelar.

References

• Boffin H, Pierce-Price D (2007) Fusión en el Universo: todos somos polvo de estrella Science in School 4. www.scienceinschool.org/2007/issue4/fusion/spanish
• Loeb A (2006) The dark ages of the Universe. Scientific American Nov: 46-53. This article is available to download from www.cfa.harvard.edu/~loeb/sciam.pdf
• Rebusco P, Boffin H, Pierce-Price D (2007) Fusión en el Universo: el origen de la joyería. Science in School 5. www.scienceinschool.org/2007/issue5/fusion/spanish

Web References

• w1 – Si quieres saber más sobre la sonda WMAP, consulta: http://map.gsfc.nasa.gov
• w2 – La nota de prensa del anuncio del Premio Nobel otorgado a John Mather y George Smoot contiene un resumen de su trabajo sobre la radiación cósmica de fondo y enlaces a otras fuentes de información: http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2006/press.html
• w3 – El Sloan Digital Sky Survey es la inspección astronómica más ambiciosa jamás llevada a cabo. Cuando se termine, proporcionará imágenes ópticas detalladas que cubrirán más de una cuarta parte del cielo, y un mapa tridimensional de unas cien millones de galaxias y quásares. A medida que la inspección avanza, la información proporcionada a la comunidad científica y al público en general crece año a año. Consulta: www.sdss.org
• w4 – Para más información sobre la Agencia Espacial Europea (ESA), visita: www.esa.int
• w5 – Si quieres saber más sobre la sonda Planck, consulta: www.esa.int/esaSC/120398_index_0_m.html
• w6 – Para más información sobre el Telescopio Europeo Extremadamente Grande, visita: www.eso.org/public/astronomy/teles-instr/e-elt.html

Resources

• La sección WMAP de la página web de NASA ofrece algunos recursos para el profesorado, incluido un breve resumen sobre el proyecto WMAP y un modelo hinchable del Universo. Consulta: http://map.gsfc.nasa.gov/resources/edresources1.html
• Para consultar una lista completa de artículos de Science in School sobre fusión y la evolución del Universo, visita: www.scienceinschool.org/fusion
• Si te ha gustado este artículo, quizás te apetezca consultar todos los temas científicos publicados con anterioridad en Science in School. Consulta: www.scienceinschool.org/sciencetopics
• Quizás también te interesen los siguientes artículos:
  • Larson RB, Bromm V (2001)The first stars in the Universe. Scientific American Dec: 64-71. Artículo disponible para descarga en: www.astro.yale.edu/larson/papers/SciAm01.pdf
  • Madau P (2006) Astronomy: trouble at first light. Nature 440: 1002-1003. doi:10.1038/4401002a. Descarga el artículo gratis aquí, o suscríbete a Nature: www.nature.com/subscribe
  • Scannapieco E, Petitjean P, Broadhurst T (2002) The emptiest places. Scientific American Oct: 56-63. Artículo disponible para descarga en http://scannapieco.asu.edu/papers/sciam.pdf

Institutions

Author(s)

Henri Boffin es astrónomo y periodista y cuenta con una amplia experiencia internacional en investigación. Como responsable de la información pública de ESO sobre los telescopios Very Large Telescope y European Extremely Large Telescope, está consagrado tanto a la investigación como a la comunicación científica. Es autor de varios artículos populares de Science in School.

Ana Lopes es editor asociada de Nature, la revista semanal internacional sobre ciencia. Es licenciada en Ciencias Físicas por la Universidad Técnica de Lisboa (Portugal) y doctora en Astrofísica por la Universidad de Oxford (Gran Bretaña). Ana trabajó con anterioridad para ESO como periodista científica.

Review

Este artículo ofrece información interesante y detallada sobre investigación actual de la historia del Universo y su evolución. Podría ser útil para enseñanza interdisciplinaria; por ejemplo, en física, astronomía, astrofísica o filosofía. Además de proporcionar una valiosa lectura de a modo de formación, el profesorado podría utilizarlo para crear recursos educativos.

Vangelis Koltsakis, Grecia

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