La Edad Oscura cósmica      

 

 

Por Dana Najjar.

Traducción y comentarios: Jesús A. Guerrero Ordáz. ALDA.

12 de enero de 2021.

 

Durante milenios, una niebla de hidrógeno impregnó el Universo, atrapando la luz.

 

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Esta instantánea de la simulación cosmológica por computadora de Illustris muestra un cúmulo de galaxias masivo en el centro, entrelazado con hilos de materia oscura (azul) y gas (naranja). La edad oscura es cuando los astrónomos creen que las pequeñas perturbaciones visibles en el fondo cósmico de microondas se transformaron en las estructuras a gran escala que vemos hoy en todo el universo. Crédito: Colaboración Illustris.

 

 

El Universo primitivo fue un lugar de extremos. Era inconcebiblemente pequeño y abrasador, con toda la energía y la materia que jamás habría sido apiñada en un espacio diminuto mil millones de veces más caliente que el centro del Sol.

 

 

En los primeros momentos después del Big Bang, el Universo se enfrió lo suficiente como para permitir que las partículas fundamentales, como los quarks y los electrones, surgieran. Los quarks se combinaron para formar protones y neutrones y, poco después, se formaron los núcleos de deuterio, helio y litio. La energía recorrió el Universo infantil en forma de fotones, pero esa luz temprana rebotó en los electrones libres, que aún no estaban unidos a ningún átomo, a cada paso.

 

 

Transcurridos unos 380.000 años, el Universo se había enfriado lo suficiente como para permitir que los primeros núcleos atrajesen electrones y se formaran átomos neutros. (Esto se llama recombinación, aunque en realidad marca la primera vez que estas partículas se combinan). Este momento marcó el comienzo de la oscuridad, un período que ahora llamamos la edad oscura cósmica.

 

 

Viendo el universo.

 

Mirar un objeto, ya sea con nuestros ojos o con un telescopio, requiere fotones de luz para alcanzar algún tipo de detector, ya sea la retina o una cámara. Pero las edades oscuras cósmicas fueron una época en la que el Universo fue envuelto por una niebla de hidrógeno neutro que atrapó la luz de las primeras estrellas y galaxias. La niebla no se levantó hasta mil millones de años después del Big Bang, cuando el hidrógeno neutro se reionizó y volvió a dividirse.

 

 

Debido a que la luz no pudo escapar de su entorno durante la edad oscura, no pudo viajar hacia afuera a través del Universo para alcanzar nuestros detectores aquí en la Tierra, casi 13 mil millones de años después. Como resultado, intentar mirar hacia atrás en ese momento es como tratar de ver una bombilla a través de una neblina espesa y oscura.

 

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De la oscuridad a la luz. Crédito: Astronomía: Roen Kelly.

 

 

Pero estaban sucediendo cosas interesantes, incluso si no podemos verlas. Piense en nuestra propia Edad Media aquí en la Tierra, aproximadamente entre el 500 y el 1.000 d.C. Puede que no parezca que sucedió mucho en términos de avance científico o cultural, pero bajo la superficie se agitaron fuerzas que pondrían en movimiento el Renacimiento. De manera similar, las edades oscuras cósmicas fueron una época de gran transformación.

 

 

"Este período es especial en el sentido de que marca la transición entre un Universo muy simple a algo complejo", dice Avi Loeb, astrónomo del Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica que fue uno de los primeros en explorar esta época en el Universo temprano. “Agujeros negros, estrellas de neutrones, incluso la vida eventualmente aquí en la Tierra… sus raíces fueron plantadas en la edad oscura. Si queremos entender de dónde venimos, ahí es donde comienza la historia".

 

 

Los astrónomos saben cómo era el Universo justo antes de que comenzara la edad oscura. Eso es porque tienen una imagen real de cómo eran las condiciones en ese momento. Cuando se formaron los primeros átomos neutros, el proceso liberó fotones de luz que atravesaron el Universo, creando una instantánea cósmica de las condiciones exactas al comienzo de su viaje. Esta radiación de fondo cósmico de microondas (CMB), también conocida como radiación relicta, existe a nuestro alrededor hoy en día y les dice a los astrónomos que el Universo era más o menos uniforme en densidad en ese momento, con solo muy pequeñas ondas en él.

 

 

Pero esas ondas son importantes. "Si introduces esas perturbaciones en una simulación por computadora, obtienes objetos como las galaxias que vemos hoy", dice Loeb. “Las edades oscuras marcan la transición que hizo el Universo a partir de estas pequeñas fluctuaciones en objetos, las primeras galaxias, las primeras estrellas. Esa es una transición importante".

 

 

La forma precisa en que ocurrió esa transición aún no se comprende bien. Sin embargo, lo que los astrónomos saben con certeza es por qué no podemos ver la luz de los objetos que brillan durante la Edad Media. Para empezar, no había mucha luz antes de que se formaran las primeras estrellas. Aparte de los átomos de hidrógeno, la mayor parte del Universo estaba compuesta de materia oscura, que no emite luz.

 

 

Es más, una niebla cósmica de átomos de hidrógeno neutros impregnó el Universo, dispersando o absorbiendo muchos de los fotones ultravioleta (UV) que emitieron las primeras estrellas. “El tiempo que tardaría un fotón en escapar del hidrógeno era más largo que la edad del Universo”, explica Bahram Mobasher, profesor de física y astronomía en la Universidad de California en Riverside. Entonces, la luz no nos puede llegar a partir de ese momento, por mucho que esperemos a que llegue.

 

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Las tres galaxias (rodeadas con un círculo verde) que forman el grupo de galaxias EGS77 están brillando apenas 680 millones de años después del Big Bang. Se ha observado que estas galaxias ionizan los átomos que las rodean, generando burbujas superpuestas de hidrógeno ionizado (representado por un artista en el recuadro). Los astrónomos creen que a medida que se formaron más galaxias con el tiempo, esas burbujas crecieron y, finalmente, se superpusieron en todo el Universo, poniendo fin a la edad oscura. Crédito: NASA, ESA y V. Tilvi (ASU).

 

Amanecer cósmico.

 

Pero la edad oscura no duró para siempre. La historia de cómo el Universo se volvió una vez más transparente a la luz ultravioleta está estrechamente relacionada con la formación de las primeras estrellas y galaxias, varios cientos de millones de años después del Big Bang, cuando la materia se agrupó y comenzó a formar las estructuras que impregnan el Universo hoy. Algunas de las primeras estrellas eran masivas y brillantes, su luz lo suficientemente energética como para eliminar los electrones de los átomos de hidrógeno circundantes en un proceso conocido como ionización. Y el hidrógeno ionizado no absorbe ni dispersa la luz como lo hace el hidrógeno neutro.

 

 

“Se formaron las primeras estrellas y galaxias, y su luz sacó al Universo de la edad oscura”, dice Mobasher. Eso es porque las estrellas y galaxias recién nacidas ionizaron burbujas en constante expansión a su alrededor, permitiendo que la luz finalmente viaje sin obstáculos nuevamente.

 

Aunque los astrónomos no pueden ver en las edades oscuras cósmicas, pueden observar la luz de estas galaxias tempranas mientras lograron el  fin de la oscuridad. Mobasher y su equipo formaron parte de un esfuerzo internacional para observar algunas de las galaxias más lejanas jamás registradas. “Lo que hacemos es buscar galaxias al final de la edad oscura”, explica. "Ese es el objeto más distante del Universo que podemos encontrar". Utilizando datos de la encuesta Cosmic Deep And Wide Narrowband (o Cosmic DAWN), Mobasher y sus colegas publicaron un artículo en The Astrophysical Journal Letters en febrero de 2020 identificando un grupo de galaxias en el proceso de ionizar el hidrógeno a su alrededor unos 680 millones de años después del Big Bang. Esto encaja perfectamente en el momento en que los teóricos creen que tuvo lugar la época de la reionización.

 

 

Al estudiar este amanecer cósmico, Mobasher espera responder preguntas fundamentales sobre nuestro Universo actual. Comprender la edad oscura “nos ayudaría a comprender cómo se forman las galaxias, cómo se forman las estrellas, la evolución de las galaxias a través del Universo”, dice. "Cómo comenzó nuestra propia galaxia, cómo se formó, qué tan rápido se formaron las estrellas... todas esas interrogantes son preguntas importantes que debemos responder".

 

 

Vale la pena recordar que no toda la luz habría sido absorbida por los átomos de hidrógeno durante la edad oscura cósmica. Un átomo de  hidrógeno solo puede absorber luz en longitudes de onda discretas que corresponden a la energía requerida para que su electrón salte de un nivel de energía al siguiente. Por lo tanto, algunos fotones con energías superiores a las necesarias para hacer que un electrón choque entre niveles de energía habrían encontrado la salida de la niebla. Sin embargo, para encontrar esta luz, necesitamos una nueva generación de detectores que recién se están poniendo en línea, como el Telescopio Espacial James Webb, el Hydrogen Epoch of Reionization Array en Sudáfrica y el Square Kilometer Array en Sudáfrica y Australia.

 

 

La razón por la que se requieren estos radiotelescopios e infrarrojos es porque a medida que la luz se abre paso con el tiempo a través de nuestro Universo en expansión, se extiende. Incluso la luz emitida en el rango ultravioleta lejano del espectro por las primeras estrellas nos llega hoy como luz con una longitud de onda mucho más larga de la que tenía al principio.

 

 

Estas nuevas instalaciones nos darán una imagen más completa de la época de la reionización: la ruptura del amanecer cósmico. Loeb tiene la  esperanza de que estos detectores desvelen los vastos misterios de esa época: "Podremos ver la historia de las cosas que ocurren durante la reionización", dice. "Los próximos años serán muy emocionantes".

 

Fuente:

https://astronomy.com/magazine/news/2021/01/the-beginning-to-the-end-of-the-universe-the-cosmic-dark-ages