¿Eran muy diferentes las galaxias en el Universo primitivo?
Por Robert Sanders, Universidad de California - Berkeley
24 de enero de 2023.
La galaxia de la Vía Láctea en el cielo nocturno sobre la matriz HERA. El telescopio solo puede observar entre abril y septiembre, cuando la Vía Láctea está por debajo del horizonte, porque la galaxia produce mucho ruido de radio que interfiere con la detección de la débil radiación de la Época de Reionización. La matriz se encuentra en una región silenciosa donde las radios, los teléfonos celulares e incluso los automóviles a gasolina están prohibidos. Crédito: Dara Storer.
Un conjunto de 350 radiotelescopios en el desierto de Karoo en Sudáfrica está cada vez más cerca de detectar el "amanecer cósmico", la era posterior al Big Bang, cuando las estrellas se encendieron por primera vez y las galaxias comenzaron a florecer.
En un artículo aceptado para su publicación en The Astrophysical Journal, el equipo de Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA) informa que ha duplicado la sensibilidad de la matriz, que ya era el radiotelescopio más sensible del mundo dedicado a explorar este período único en la historia del Universo.
Si bien todavía tienen que detectar emisiones de radio desde el final de las edades oscuras cósmicas, sus resultados proporcionan pistas sobre la composición de las estrellas y las galaxias en el Universo primitivo. En particular, sus datos sugieren que las primeras galaxias contenían muy pocos elementos además del hidrógeno y el helio, a diferencia de nuestras galaxias actuales.
Cuando las antenas de radio estén completamente en línea y calibradas, idealmente este otoño, el equipo espera construir un mapa 3D de las burbujas de hidrógeno ionizado y neutro a medida que evolucionaron desde hace unos 200 millones de años hasta alrededor de mil millones de años después del Big Bang. El mapa podría decirnos cómo las primeras estrellas y galaxias diferían de las que vemos a nuestro alrededor hoy, y cómo se veía el Universo en su totalidad en su adolescencia.
"Esto se está moviendo hacia una técnica potencialmente revolucionaria en cosmología. Una vez que puede llegar a la sensibilidad que necesita, hay mucha información en los datos", dijo Joshua Dillon, científico investigador del Departamento de Astronomía y Ciencias de la Universidad de California, Berkeley, autor principal del artículo. "Un mapa 3D de la mayor parte de la materia luminosa del Universo es el objetivo para los próximos 50 años o más".
Otros telescopios también están observando el Universo primitivo. El nuevo Telescopio Espacial James Webb (JWST) ahora ha fotografiado una galaxia que existió unos 325 millones de años después del nacimiento del Universo en el Big Bang. Pero el JWST solo puede ver las galaxias más brillantes que se formaron durante la Época de Reionización, no las galaxias enanas más pequeñas pero mucho más numerosas cuyas estrellas calentaron el medio intergaláctico e ionizaron la mayor parte del gas de hidrógeno.
HERA busca detectar la radiación del hidrógeno neutro que llenó el espacio entre esas primeras estrellas y galaxias y, en particular, determinar cuándo ese hidrógeno dejó de emitir o absorber ondas de radio porque se ionizó.
El hecho de que el equipo de HERA aún no haya detectado estas burbujas de hidrógeno ionizado dentro del hidrógeno frío de la edad oscura cósmica descarta algunas teorías sobre cómo evolucionaron las estrellas en el Universo primitivo.
Específicamente, los datos muestran que las primeras estrellas, que pueden haberse formado alrededor de 200 millones de años después del Big Bang, contenían pocos elementos además del hidrógeno y el helio. Esto es diferente de la composición de las estrellas actuales, que tienen una variedad de los llamados metales, el término astronómico para los elementos, que van desde el litio hasta el uranio, que son más pesados que el helio. El hallazgo es consistente con el modelo actual de cómo las estrellas y las explosiones estelares produjeron la mayoría de los otros elementos.
"Las primeras galaxias tienen que haber sido significativamente diferentes a las galaxias que observamos hoy para que no hayamos visto una señal", dijo Aaron Parsons, investigador principal de HERA y profesor asociado de astronomía de UC Berkeley. "En particular, sus características de rayos X tienen que haber cambiado. De lo contrario, habríamos detectado la señal que estamos buscando".
La composición atómica de las estrellas en el Universo primitivo determinó cuánto tiempo se necesitaba para calentar el medio intergaláctico una vez que las estrellas comenzaban a formarse. La clave de esto es la radiación de alta energía, principalmente rayos X, producida por estrellas binarias donde una de ellas se ha colapsado en un agujero negro o una estrella de neutrones y se está comiendo gradualmente a su compañera. Con pocos elementos pesados, gran parte de la masa del acompañante es expulsada en lugar de caer sobre el agujero negro, lo que significa menos rayos X y menos calentamiento de la región circundante.
Los nuevos datos se ajustan a las teorías más populares sobre cómo se formaron las estrellas y las galaxias después del Big Bang, pero no otras. Los resultados preliminares del primer análisis de los datos de HERA, informados hace un año, insinuaron que esas alternativas, específicamente, la reionización en frío, eran poco probables.
"Nuestros resultados requieren que incluso antes de la reionización y hasta 450 millones de años después del Big Bang, el gas entre las galaxias debe haber sido calentado por rayos X. Es probable que provengan de sistemas binarios donde una estrella está perdiendo masa frente a un compañero agujero negro", dijo Dillon. "Nuestros resultados muestran que, si ese es el caso, esas estrellas deben haber tenido una 'metalicidad' muy baja, es decir, muy pocos elementos además del hidrógeno y el helio en comparación con nuestro Sol, lo cual tiene sentido porque estamos hablando de un período en tiempo en el Universo antes de que se formaran la mayoría de los otros elementos".
El origen del Universo en el Big Bang hace 13.800 millones de años produjo un caldero caliente de energía y partículas elementales que se enfrió durante cientos de miles de años antes de que los protones y electrones se combinaran para formar átomos, principalmente hidrógeno y helio. Al observar el cielo con telescopios sensibles, los astrónomos han cartografiado en detalle las leves variaciones de temperatura a partir de este momento, lo que se conoce como el fondo cósmico de microondas, apenas 380.000 años después del Big Bang.
Aparte de esta radiación de calor relicto, sin embargo, el Universo primitivo era oscuro. A medida que el Universo se expandía, la aglomeración de la materia sembró galaxias y estrellas, que a su vez produjeron radiación (ultravioleta y rayos X) que calentó el gas entre las estrellas. En algún momento, el hidrógeno comenzó a ionizarse (perdió su electrón) y formó burbujas dentro del hidrógeno neutro, lo que marcó el comienzo de la Época de Reionización.
Para mapear estas burbujas, HERA y varios otros experimentos se enfocan en una longitud de onda de luz que el hidrógeno neutral absorbe y emite, pero el hidrógeno ionizado no. Llamada línea de 21 centímetros (una frecuencia de 1.420 megahercios), es producida por la transición hiperfina, durante la cual los espines del electrón y el protón pasan de paralelos a antiparalelos. El hidrógeno ionizado, que ha perdido su único electrón, no absorbe ni emite esta radiofrecuencia.
Desde la época de la reionización, la línea de 21 centímetros se ha desplazado hacia el rojo por la expansión del Universo a una longitud de onda 10 veces mayor, unos 2 metros. Las antenas bastante simples de HERA, una construcción de alambre de gallinero, tubería de PVC y postes telefónicos, tienen 14 metros de ancho para recolectar y enfocar esta radiación en los detectores.
"A una longitud de onda de dos metros, una malla de alambre de pollo es un espejo", dijo Dillon. "Y todas las cosas sofisticadas, por así decirlo, están en la omputadora y todo el análisis de datos que viene después de eso".
El nuevo análisis se basa en 94 noches de observación en 2017 y 2018 con unas 40 antenas, la fase 1 del conjunto. El análisis preliminar del año pasado se basó en 18 noches de observaciones de fase 1.
El principal resultado del nuevo artículo es que el equipo de HERA ha mejorado la sensibilidad de la matriz en un factor de 2,1 para la luz emitida unos 650 millones de años después del Big Bang (un corrimiento al rojo, o un aumento en la longitud de onda, de 7,9) y 2,6 para radiación emitida unos 450 millones de años después del Big Bang (un corrimiento al rojo de 10,4).
El equipo de HERA continúa mejorando la calibración del telescopio y el análisis de datos con la esperanza de ver esas burbujas en el Universo primitivo, que tienen aproximadamente una millonésima parte de la intensidad del ruido de radio en la vecindad de la Tierra. Filtrar el ruido de la radio local para ver la radiación del Universo primitivo no ha sido fácil.
"Si es queso suizo, las galaxias hacen los agujeros y estamos buscando el queso", hasta ahora, sin éxito, dijo David Deboer, astrónomo investigador del Laboratorio de Radioastronomía de UC Berkeley.
Sin embargo, extendiendo esa analogía, Dillon anotó: "Lo que hemos hecho es que hemos dicho que el queso debe estar más tibio que si nada hubiera pasado. Si el queso estuviera realmente frío, resulta que sería más fácil observar esa irregularidad que si el queso estuviera tibio".
Eso descarta en su mayoría la teoría de la reionización en frío, que postulaba un punto de partida más frío. Los investigadores de HERA sospechan, en cambio, que los rayos X de las estrellas binarias de rayos X calentaron primero el medio intergaláctico.
"Los rayos X calentarán efectivamente todo el bloque de queso antes de que se formen los agujeros", dijo Dillon. "Y esos agujeros son los bits ionizados".
"HERA continúa mejorando y estableciendo límites cada vez mejores", dijo Parsons. "El hecho de que podamos seguir avanzando y tengamos nuevas técnicas que continúan dando frutos para nuestro telescopio es genial".
La colaboración HERA está dirigida por UC Berkeley e incluye científicos de América del Norte, Europa y Sudáfrica.
Fuente:
https://phys.org/news/2023-01-galaxies-early-universe.html