Las primeras estrellas se formaron más tarde de lo que se creía

Reionización cósmica- ESA-C. Carreau

El satélite Planck de la ESA ha revelado que las primeras estrellas del Universo comenzaron a formarse más tarde de lo que indicaban las observaciones de la radiación cósmica de fondo realizadas hasta el momento. Este nuevo análisis también muestra que estas estrellas fueron las únicas responsables de la reionización de los átomos del cosmos y que, cuando el Universo llegó a los 700 millones de años de edad, ya habían completado la mitad del proceso.

Con la multitud de estrellas y galaxias que pueblan el Universo actual, cuesta imaginar lo diferente que nuestro cosmos, de 13.500 años de edad, sería en sus albores. En esa fase más temprana encontramos el caldo primigenio, formado principalmente por electrones, protones, neutrinos y fotones.

En ese entorno denso y caliente, el Universo se asemejaba a una niebla ‘opaca’, ya que los fotones, o partículas de luz, chocaban con los electrones antes de poder recorrer distancia alguna.

A medida que el cosmos fue expandiéndose, el Universo, cada vez más frío y menos denso, acabó volviéndose ‘transparente’ al cabo de 380.000 años. Para entonces, las colisiones entre partículas eran esporádicas y los fotones podían atravesar libremente el cosmos.

Historia del Universo. Créditos: ESA

Hoy, telescopios como Planck pueden observar esta luz fósil en forma de radiación cósmica de fondo. Su distribución en el firmamento presenta minúsculas fluctuaciones que revelan abundante información sobre la historia, la composición y la geometría del Universo.

La radiación cósmica de fondo se liberó en el momento en que los electrones y los protones se unieron para formar átomos de hidrógeno. Ese fue el primer momento en la historia del cosmos en que la materia se encontró en estado eléctricamente neutro.

A partir de él, tuvieron que pasar varios cientos de millones de años hasta que esos átomos pudieron combinarse y dar lugar a la primera generación de estrellas del Universo.

Al nacer estas primeras estrellas, llenaron el espacio circundante de luz, lo que a su vez dividió los átomos neutros, que volvieron a separarse en electrones y protones. Los científicos denominan a esta fase la ‘era de la reionización’. La mayoría de la materia del Universo tardó poco en volver a estar completamente ionizada y, salvo en escasos puntos aislados, se ha mantenido así.

Las observaciones de galaxias muy lejanas con agujeros negros supermasivos muestran que, al cabo de unos 900 millones de años de edad, el Universo ya estaba totalmente reionizado. En cambio, el punto de partida de este proceso es mucho más difícil de determinar y ha sido objeto de un intenso debate en los últimos años.

“La radiación cósmica de fondo puede decirnos cuándo comenzó la era de la reionización y, en consecuencia, cuándo se formaron las primeras estrellas del Universo”, explica Jan Tauber, científico del proyecto Planck para la ESA.

Para realizar esta medida, los científicos aprovechan que una parte de la radiación cósmica de fondo está polarizada, por lo que la luz vibra en una dirección preferente. Esto se debe a que los fotones de la radiación de fondo rebotan en los electrones, algo que fue muy frecuente en el caldo primigenio, antes de que esta radiación fuera liberada, así como después de la reionización, cuando la luz de las primeras estrellas devolvió a los electrones libres a su fase cósmica.

“Gracias precisamente a las mínimas fluctuaciones en la polarización de la radiación cósmica de fondo, podemos ver la influencia del proceso de reionización y deducir cuándo comenzó”, añade Tauber.

Polarización de la radiación cósmica de fondo. Créditos: ESA y Planck Collaboration

En 2003, la sonda WMAP de la NASA llevó a cabo las primeras estimaciones de la reionización, sugiriendo que este proceso podría haber comenzado en una fase temprana de la historia del cosmos, cuando el Universo apenas tenía un par de cientos de millones de años de edad. Este resultado generaba dudas, ya que no había pruebas de que para entonces se hubiera formado estrella alguna, lo que obligaba a plantear la existencia de otras fuentes exóticas que hubieran causado la reionización al mismo tiempo.

Esta primera estimación pronto fue corregida, ya que los siguientes datos de WMAP trasladaban la fecha inicial a épocas posteriores, lo que indicaba que el Universo no habría experimentado una reionización significativa hasta, como mínimo, los 450 millones de años de edad.

Aunque no resolvía el problema, esta hipótesis daba algunas pistas para su solución: aunque se ha observado que las primeras estrellas ya estaban presentes cuando el Universo tenía entre 300 y 400 años de edad, seguía sin saberse con certeza si eran las responsables de la completa reionización del cosmos o si también habían contribuido otras fuentes.

En 2015, la Colaboración Planck ofreció nuevos datos que abordaban el problema, y que atrasaban aún más la era de la reionización en la historia cósmica, revelando que este proceso se produjo hacia la mitad, cuando el Universo tenía unos 550 millones de años. El resultado se basaba en los primeros mapas de la polarización de la radiación cósmica de fondo que abarcan la totalidad del firmamento, elaborados a partir de datos del instrumento de baja frecuencia (LFI) de Planck.

Ahora, un nuevo análisis procedente del instrumento de alta frecuencia (HFI), el otro detector de Planck y el más sensible a este fenómeno, muestra que la reionización comenzó aún más tarde… Mucho más tarde de lo que sugerían los datos anteriores.

“Las medidas de alta sensibilidad del HFI han demostrado claramente que la reionización fue un proceso muy rápido, que comenzó relativamente tarde en la historia del cosmos y que, a los 700 millones de años, ya había reionizado casi la mitad del Universo —afirma Jean-Loup Puget, del Instituto de Astrofísica Espacial de Orsay, Francia, y principal investigador del instrumento de alta frecuencia de Planck.— Estos resultados ahora nos están ayudando a generar un modelo del comienzo de la fase de reionización”.

Matthieu Tristram, científico de la Colaboración Planck en el Laboratorio del Acelerador Lineal (LAL) en Orsay, Francia, añade: “También hemos confirmado que, más allá de las primeras estrellas, en la reionización del Universo no intervinieron otros agentes”.

El nuevo estudio ubica la formación de las primeras estrellas en un punto muy posterior de lo que se creía anteriormente en la línea temporal del cosmos. Esto implica que la primera generación de galaxias estaría al alcance de las observaciones de los futuros instrumentos astronómicos, e incluso de algunos de los actuales.

De hecho, es probable que algunas de las galaxias primigenias ya hayan sido detectadas en exposiciones largas, como el campo ultraprofundo del Hubble (HUDF) observado con el telescopio espacial Hubble de la NASA/ESA. Además, también resultará más sencillo detectar muchas más galaxias con instrumentos futuros, como el telescopio espacial James Webb de la NASA/ESA/CSA.

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Los artículos ‘Planck intermediate results. XLVII. Planck constraints on reionization history’ y ‘Planck intermediate results. XLVI. Reduction of large-scale systematic effects in HFI polarization maps and estimation of the reionization optical depth’, de la Colaboración Planck, están publicados en Astronomy and Astrophysics.