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Gracias a los telescopios más avanzados, los astrónomos pueden ver hoy cómo eran los objetos hace 13.000 millones de años, aproximadamente 800 millones de años después del Big Bang. Por desgracia, todavía no pueden atravesar el velo de la Edad Oscura cósmica, un periodo que duró entre 370.000 y 1.000 millones de años después del Big Bang, en el que el Universo estaba repleto de hidrógeno neutro que obstruía la luz. Por ello, nuestros telescopios no pueden ver cuándo se formaron las primeras estrellas y galaxias, entre 100 y 500 millones de años después del Big Bang. 100 a 500 millones de años después del Big Bang.
Este periodo se conoce como el Amanecer Cósmico y representa la "última frontera" de los estudios cosmológicos para los astrónomos. El próximo mes de noviembre, el telescopio espacial James Webb (JWST) de nueva generación de la NASA se lanzará finalmente al espacio. Gracias a su sensibilidad y a su avanzada óptica infrarroja, Webb será el primer observatorio capaz de presenciar el nacimiento de las galaxias. Según un nuevo estudio de la Universidad de Ginebra (Suiza), la capacidad de ver el amanecer cósmico proporcionará respuestas a los mayores misterios cosmológicos actuales.
La investigación fue dirigida por la Dra. Hamsa Padmanabhan, física teórica y Colaboradora Científica II de la Universidad de Ginebra. También es la investigadora principal de la Fundación Nacional Suiza para la Ciencia (SNSF) y beneficiaria de la beca Ambizione 2017 (financiación de la investigación concedida por la SNSF) por su proyecto independiente, titulado "Probing the Universe: through reionization and beyond."
Para los astrónomos y cosmólogos actuales, la capacidad de observar el Amanecer Cósmico representa una oportunidad para responder a los misterios cósmicos más perdurables. Mientras que la luz más temprana del Universo sigue siendo visible hoy en día como Fondo Cósmico de Microondas (CMB), lo que siguió poco después (y hasta unos mil millones de años después del Big Bang) ha sido históricamente invisible para nuestros instrumentos más avanzados.
Esto ha mantenido a las mentes científicas en la oscuridad (¡no es un juego de palabras!) en varios asuntos cosmológicos importantes. No sólo se formaron las primeras estrellas y galaxias durante la "Edad Oscura", aportando gradualmente luz al Universo, sino que también fue en esta época cuando se produjo la "Reionización Cósmica". En este periodo de transición es cuando se cree que casi todo el gas neutro que impregnaba el Universo se convirtió en protones y electrones (también conocidos como bariones) que constituyen toda la materia "normal".
Por desgracia, los astrónomos no han podido estudiar este periodo de la historia cósmica. Gran parte del problema se debe a que la luz de esta época se ha desplazado hacia el rojo hasta el punto de ser visible en una parte del espectro de radio que es inaccesible para los instrumentos actuales (la línea de transición de 21 cm). Pero, como explicó el Dr. Padmanabhan a Universe Today por correo electrónico, éste no es el único obstáculo para estudiar el Universo primitivo:
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| Diagrama de la evolución del universo observable. Crédito: NASA/Cherkash |
"Este período nos ha eludido hasta ahora en las observaciones debido al alto nivel de sensibilidad requerido para hacer una detección de la emisión, combinado con el desafío de detectar la señal extremadamente débil (que proviene del gas de hidrógeno presente en el Universo temprano) en presencia de la emisión de primer plano (en su mayoría de nuestra propia galaxia) que es de unos 4-5 órdenes de magnitud más grande que la señal que queremos medir."
Al estudiar las primeras estrellas y galaxias en formación, los astrónomos podrán ver de dónde procede el 90% de la materia bariónica (también conocida como "luminosa" o "normal") del Universo y cómo evolucionó hasta convertirse en las estructuras cósmicas a gran escala que vemos hoy. La capacidad de modelar cómo evolucionó el Universo desde este período hasta hoy también presenta la oportunidad de ver la influencia de la materia oscura y la energía oscura directamente.
A partir de esto, los científicos evaluarán diferentes modelos cosmológicos, el más aceptado de los cuales es el modelo de materia oscura lambda-fría (LCDM). Dijo el Dr. Padmanabhan:
"El acceso a esta época también representa un enorme salto en nuestro contenido de información cosmológica. Esto se debe a que contiene al menos entre 10.000 y 100.000 veces más información que la disponible actualmente en todos nuestros estudios de galaxias hasta el momento, así como la que obtenemos de la radiación del Fondo Cósmico de Microondas (CMB). Se trata básicamente del mayor conjunto de datos que jamás podríamos esperar para poner a prueba nuestros modelos de física. Podemos explorar un conjunto de fascinantes modelos de física más allá de nuestro modelo estándar de cosmología".
Entre ellos se encuentran los modelos que implican versiones no estándar de la materia oscura (es decir, "materia oscura caliente"), versiones modificadas de la gravedad y teorías de la inflación que no implican la energía oscura-Dinámica Newtoniana Modificada (MOND). Esencialmente, los científicos podrán ver la gravedad y la expansión cósmica desde el mismo momento en que todo comenzó (unas trillonésimas de segundo después del Big Bang). Durante años, la comunidad astronómica ha esperado con impaciencia el día en que el James Webb se lanzara finalmente al espacio.
Gran parte de su entusiasmo se debe a que la avanzada óptica infrarroja del observatorio y su alta sensibilidad le permitirán observar las primeras galaxias cuando aún están en formación. Normalmente, la luz de las galaxias quedaría oscurecida por todo el polvo y el gas interestelar e intergaláctico que hay entre ellas y la Tierra. Con los instrumentos existentes y de próxima generación, dice el Dr. Padmanabhan, estas galaxias podrán observarse por primera vez:
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| El modelo cosmológico CDM, visualizado. Crédito: Alex Mittelmann/Wikipedia Commons |
"Misiones como el JWST podrán detectar galaxias extremadamente débiles que se formaron cuando el Universo era sólo una décima parte de su tamaño actual. En combinación con estudios de radio como el [Square Kilometer Array] SKA, esto nos proporcionará una imagen completa de las primeras fuentes luminosas y su desarrollo a lo largo del tiempo cósmico. JWST proporciona sondeos profundos, tipo "haz de lápiz", cuyo campo de visión total es del orden de varios minutos de arco cuadrados, por lo que no accederá a escalas cosmológicas, pero mejorará significativamente nuestra comprensión de los procesos físicos que contribuyeron a la reionización."
"ALMA ahora detecta rutinariamente galaxias en su emisión de líneas submilimétricas, como el carbono ionizado individualmente, [CII] y el oxígeno doblemente ionizado, [OIII], ambos son sondas muy interesantes de la reionización. El próximo experimento COMAP-Epoch of Reionization, del que formo parte, planea acceder a la emisión de líneas de monóxido de carbono (CO) alrededor de las etapas medias y finales de la reionización, que es un excelente rastreador de la formación estelar. Los primeros planos no son un problema tan grave para las líneas submilimétricas".
Esto se conoce como el enfoque multimensajero, en el que se combinan las señales de luz procedentes de diferentes instrumentos y en diferentes longitudes de onda. Cuando se aplica al Amanecer Cósmico, dice el Dr. Padmanabhan, este enfoque es la herramienta más prometedora para obtener información sobre el Universo. En concreto, la detección de ondas gravitacionales procedentes de los primeros agujeros negros supermasivos revelará cómo estas fuerzas primordiales de la naturaleza influyeron en la evolución galáctica.
"Combinando esto con el conocimiento del modo en que evolucionan el gas y las galaxias que obtenemos con los estudios electromagnéticos, nos proporcionará una imagen completa del Amanecer Cósmico", dijo. "Será crucial para responder a una pregunta pendiente en cosmología y astrofísica: ¿cómo se formaron los primeros agujeros negros y cuál fue su contribución a la reionización?".
La posibilidad de montar campañas multimensajero que combinen señales infrarrojas de alta sensibilidad con señales de radio es una de las muchas formas en que la astronomía está progresando tan rápidamente. Además de instrumentos más sofisticados, los astrónomos también se beneficiarán de métodos mejorados, técnicas de aprendizaje automático más sofisticadas y oportunidades de investigación y colaboración.
Por último, pero no por ello menos importante, la capacidad de combinar señales procedentes de diferentes matrices (y en diferentes longitudes de onda de energía electromagnética) ya ha creado nuevas oportunidades para realizar sofisticadas campañas de obtención de imágenes. Un buen ejemplo de ello es el proyecto Event Horizon Telescope (EHT), que se apoya en 10 radiotelescopios de todo el mundo para recoger la luz de los SMBH (como nuestro Sagitario A*). En 2019, el EHT tomó la primera imagen de un SMBH; en este caso, el situado en el núcleo de M87 (la galaxia elíptica supergigante Virgo A).
La oportunidad de realizar investigaciones de vanguardia abundará en el futuro próximo, y los descubrimientos que podemos hacer serán nada menos que revolucionarios. Aunque seguramente habrá algunos contratiempos en el camino y más misterios por resolver, una cosa es segura: ¡el futuro de la astronomía será muy emocionante!
Fuentes, créditos y referencias:
Hamsa Padmanabhan, A Multi-messenger view of Cosmic Dawn: Conquering the Final Frontier. arXiv:2109.00003v1 [astro-ph.CO], arxiv.org/abs/2109.00003
Fuente Universo Today