Con el tiempo de derecha a izquierda, esta visualización muestra la formación de las primeras estrellas a partir de una neblina de hidrógeno neutro después del Amanecer Cósmico del universo.
(Imagen: © NASA / STScI)
Paul Sutter es astrofísico en la Universidad Estatal de Ohio y científico jefe en el centro de ciencias COSI. Sutter también es presentador de Ask a Spaceman y Space Radio, y dirige AstroTours en todo el mundo. Sutter contribuyó con este artículo a Expert Voices de Space.com: Op-Ed & Insights.
Quizás la mayor revelación en los últimos cien años de estudio del universo es que nuestro hogar cambia y evoluciona con el tiempo. Y no solo en formas menores e insignificantes, como las estrellas que se mueven, las nubes de gas se comprimen y las estrellas masivas mueren en explosiones cataclísmicas. No, todo nuestro cosmos ha cambiado su carácter fundamental más de una vez en el pasado distante, alterando por completo su estado interno a escala global, es decir, universal.
Tomemos, por ejemplo, el hecho de que en un momento en el pasado nebuloso y mal recordado, no había estrellas.
Antes de la primera luz
Conocemos este simple hecho debido a la existencia del fondo cósmico de microondas (CMB), un baño de radiación débil pero persistente que absorbe todo el universo. Si te encuentras con un fotón aleatorio (un poco de luz), hay una buena probabilidad de que sea del CMB: esa luz absorbe más del 99,99 por ciento de toda la radiación en el universo. Es una reliquia sobrante de cuando el universo tenía solo 270,000 años, y pasó de un plasma caliente y hirviendo a una sopa neutral (sin carga positiva o negativa). Esa transición emitió radiación candente que, en el transcurso de 13.8 mil millones de años, se enfrió y se extendió a las microondas, dándonos la luz de fondo que podemos detectar hoy. [Antecedentes de microondas cósmicos: Explicación de la reliquia de Big Bang (infografía)]
En el momento del lanzamiento del CMB, el universo era aproximadamente una millonésima parte de su volumen actual y miles de grados más caliente. También era casi completamente uniforme, con diferencias de densidad no mayores a 1 parte en 100,000.
Entonces, no es exactamente un estado donde las estrellas podrían existir felizmente.
La edad Oscura
En los millones de años posteriores al lanzamiento del CMB (conocido cariñosamente como "recombinación" en los círculos de astronomía, debido a un malentendido histórico de épocas incluso anteriores), el universo estaba en un estado extraño. Hubo un baño persistente de radiación candente, pero esa radiación se enfría rápidamente a medida que el universo continúa su expansión inexorable. Había materia oscura, por supuesto, pasando el tiempo ocupándose de sus propios asuntos. Y estaba el gas ahora neutral, casi completamente hidrógeno y helio, finalmente liberado de sus luchas con la radiación y libre de hacer lo que quisiera.
Y lo que le agradaba era pasar el rato con él lo más posible. Afortunadamente, no tuvo que trabajar muy duro: en el universo extremadamente temprano, las fluctuaciones cuánticas microscópicas se agrandaron para convertirse simplemente en pequeñas diferencias de densidad (y por qué sucedió eso es una historia para otro día). Estas pequeñas diferencias de densidad no afectaron la mayor expansión cosmológica, pero sí afectaron la vida de ese hidrógeno neutro. Cualquier parche que era ligeramente más denso que el promedio, incluso un poquito, tenía una atracción gravitatoria ligeramente más fuerte sobre sus vecinos. Ese impulso mejorado alentó a más gas a unirse a la fiesta, lo que amplificó el tirón gravitacional, lo que alentó a aún más vecinos, etc.
Como la música a todo volumen en una fiesta en la casa que actúa como una canción de sirena para alentar a más juerguistas, en el transcurso de millones de años, el gas rico se hizo más rico y el gas pobre se hizo más pobre. A través de la gravedad simple, crecieron pequeñas diferencias de densidad, construyendo las primeras aglomeraciones masivas de materia y vaciando sus alrededores.
Se rompe el "amanecer cósmico"
En algún lugar, en algún lugar, un trozo de hidrógeno neutro tuvo suerte. Al acumular capas sobre capas abrumadoras sobre sí mismo, el núcleo más interno alcanzó una temperatura y densidad críticas, forzando a los núcleos atómicos a unirse en un patrón complicado, encendiéndose en la fusión nuclear y convirtiendo la materia prima en helio. Ese proceso feroz también liberó un poco de energía, y en un instante nació la primera estrella.
Por primera vez desde los primeros doce minutos del Big Bang, tuvieron lugar reacciones nucleares en nuestro universo. Nuevas fuentes de luz, salpicando el cosmos, inundaron los vacíos que alguna vez estuvieron vacíos con radiación. Pero no estamos exactamente seguros de cuándo ocurrió este evento trascendental; Las observaciones de esta época son extremadamente difíciles. Por un lado, las vastas distancias cosmológicas evitan que incluso nuestros telescopios más potentes observen esa primera luz. Lo que lo empeora es que el universo primitivo era casi completamente neutral, y el gas neutro no emite mucha luz en primer lugar. No es hasta que varias generaciones de estrellas se unen para formar galaxias que no podemos tener una leve pista de esta importante era.
Sospechamos que las primeras estrellas se formaron en algún lugar dentro de los primeros cientos de millones de años del universo. No es mucho más tarde que tenemos observaciones directas de galaxias, núcleos galácticos activos e incluso el comienzo de cúmulos de galaxias, las estructuras más masivas que eventualmente surgirán en el universo. En algún momento antes de ellos, las primeras estrellas tuvieron que llegar, pero no demasiado temprano, porque las condiciones agitadas del universo infantil habrían impedido su formación.
Sobre el horizonte
Aunque el próximo telescopio espacial James Webb podrá identificar galaxias tempranas con excelente precisión, ofreciendo una gran cantidad de datos sobre el universo primitivo, el campo de visión estrecho del telescopio no nos dará una visión completa de esta era. Los científicos esperan que algunas de las primeras galaxias puedan contener restos de las primeras estrellas, o incluso las propias estrellas, pero tendremos que esperar y (literalmente) ver.
La otra forma de desbloquear el amanecer cósmico es a través de una sorprendente peculiaridad de hidrógeno neutro. Cuando las vueltas cuánticas del electrón y el protón cambian aleatoriamente, el hidrógeno emite radiación de una longitud de onda muy específica: 21 centímetros. Esta radiación nos permite mapear bolsas de hidrógeno neutro en nuestra Vía Láctea moderna, pero las distancias extremas a la era del amanecer cósmico plantean un desafío completamente diferente.
El problema es que el universo se ha expandido desde esa era largamente muerta, lo que hace que toda la radiación intergaláctica se extienda a longitudes de onda más largas. Hoy en día, esa señal de hidrógeno neutral primordial tiene una longitud de onda de alrededor de 2 metros, colocando la señal firmemente en las bandas de radio. Y muchas otras cosas en el universo (supernovas, campos magnéticos galácticos, satélites) son bastante fuertes a esas mismas frecuencias, oscureciendo la débil señal de los primeros años del universo.
Hay varias misiones en todo el mundo que intentan concentrarse en esa jugosa señal del amanecer cósmico, desenterrar su primitivo susurro de la cacofonía actual y revelar el nacimiento de las primeras estrellas. Pero por ahora, solo tendremos que esperar y escuchar.
Obtenga más información escuchando el episodio "¿Qué despertó el amanecer cósmico?" en el podcast Ask A Spaceman, disponible en iTunes y en la Web en http://www.askaspaceman.com. ¡Gracias a Joyce S. por las preguntas que llevaron a esta pieza! Haga su propia pregunta en Twitter usando #AskASpaceman o siguiendo a Paul @ PaulMattSutter y facebook.com/PaulMattSutter. Síganos en @Spacedotcom, Facebook y Google+. Artículo original en Space.com.
