Las estrellas comenzaron a formarse 250 millones de años después de que nació el Universo

Cúmulo de galaxias MACS J1149_5+2223- La distribución del oxígeno detectado con ALMA se representa en rojo- Imágenes obtenidas por los telescopios Hubble y ALMA


Una de las preguntas más importantes de la astronomía moderna es saber cuándo nacieron las primeras estrellas. Sin embargo, no conoce bien cómo se formaron, al igual que las galaxias, durante los primeros 300 millones de años del universo.

Ahora, un equipo internacional de astrónomos ha utilizado el telescopio ALMA del Observatorio Europeo Austral (ESO), en Chile, para observar una galaxia lejana llamada MACS1149-JD1. En concreto, detectaron un resplandor muy débil emitido por su oxígeno ionizado.

El brillo de la galaxia MACS1149-JD1 se explica con un modelo en el que la formación estelar empieza 250 millones de años tras el comienzo del universo

A medida que esta luz infrarroja viaja por el espacio, la expansión del universo la desplaza y, para cuando fue detectada en la Tierra, la longitud de onda era más de diez veces mayor que cuando se originó.

Así el equipo infirió que la señal fue emitida hace 13.300 millones de años (o 500 millones de años después del Big Bang), convirtiéndolo en el oxígeno más distante jamás detectado por ningún telescopio. La presencia de oxígeno es una clara señal de que debe haber habido incluso generaciones anteriores de estrellas en esta galaxia.

“Me emocionó ver la señal de oxígeno distante, una detección que hace retroceder las fronteras del universo observable”, afirma Takuya Hashimoto, investigador de la Universidad Osaka Sangyo y el Observatorio Astronómico Nacional de Japón y autor principal del artículo, que se publica esta semana en la revista Nature.

Además del brillo del oxígeno captado por ALMA, el Very Large Telescope (VLT) de ESO también detectó una señal más débil de emisión de hidrógeno. La distancia a la galaxia, determinada a partir de esta observación, es consistente con la distancia de la observación del oxígeno. Esto hace de MACS1149-JD1 la galaxia más lejana con una medición precisa de la distancia y la galaxia más lejana jamás observada con ALMA o con el VLT.

Vemos esta galaxia en un momento en el que el universo sólo tenía 500 millones de años y, sin embargo, ya tiene una población de estrellas maduras”, explica Nicolas Laporte, investigador de la University College de Londres (UCL, Reino Unido) y  segundo autor del nuevo artículo. “Por lo tanto somos capaces de utilizar esta galaxia para estudiar un período anterior, completamente desconocido, de la historia cósmica”.

Tras el Big Bang, hubo un periodo durante el cual no hubo oxígeno en el universo. Fue creado por los procesos de fusión de las primeras estrellas y luego liberado cuando estas murieron. La detección de oxígeno en MACS1149-JD1 indica que estas generaciones anteriores de estrellas ya se habían formado y había expulsado oxígeno  apenas 500 millones de años después del comienzo del universo.

"¡Con estas nuevas observaciones nos acercamos a la posibilidad de ser testigos directos del nacimiento de la luz de las estrellas!", exclama un astrónomo

Pero, ¿cuándo tuvo lugar esta formación temprana de estrellas? Para averiguarlo, el equipo reconstruyó los inicios de la historia de MACS1149-JD1 utilizando datos infrarrojos tomados con los telescopios espaciales Hubble y Spitzer. Así descubrieron que el brillo observado de la galaxia puede explicarse con un modelo en el que el inicio de la formación estelar comienza tan solo 250 millones de años después del comienzo del universo.

El amanecer cósmico

La madurez de las estrellas en MACS1149-JD1 plantea la pregunta de cuándo surgieron las primeras galaxias de la oscuridad total, una época que los astrónomos denominan, de forma romántica, como el ‘amanecer cósmico’. Estableciendo la edad de esta lejana galaxia, el equipo ha demostrado, de forma efectiva, que hubo galaxias que existieron antes de las que podemos detectar de forma directa en la actualidad.

Richard Ellis, astrónomo senior en la UCL y coautor del artículo, concluye: “Determinar cuándo tuvo lugar el amanecer cósmico es el ‘santo grial’ de la cosmología y el estudio de formación de galaxias. ¡Con estas nuevas observaciones de MACS1149-JD1 nos acercando a la posibilidad de ser testigos directos del nacimiento de la luz de las estrellas! Puesto que todos estamos hechos de material estelar procesado, esto es realmente encontrar nuestros propios orígenes”.

En un artículo paralelo publicado también en Nature, el astrónomo Rychard Bouwens del Observatorio de Leiden (Países Bajos) comenta que estos descubrimientos “parecen inspirar estudios similares de otras galaxias  en el universo distante y proporcionan ‘carburante’ para las futuras observaciones del telescopio espacial James Webb”.

Referencia bibliográfica:

Takuya Hashimoto et al. “The onset of star formation 250 million years after the Big Bang”. Nature, mayo de 2018


Esta imagen, obtenida por el Telescopio Espacial Hubble de NASA/ESA, muestra el cúmulo de galaxias MACS J1149.5+2223; la imagen del recuadro es la galaxia muy distante MACS1149-JD1, vista como era hace 13.000 millones de años y observada con ALMA. La distribución del oxígeno detectado con ALMA se representa en rojo.

Crédito:

ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), NASA/ESA Hubble Space Telescope, W. Zheng (JHU), M. Postman (STScI), the CLASH Team, Hashimoto et al.

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