Detectado el oxígeno más lejano

El universo que hoy conocemos contiene multitud de elementos químicos diferentes, pero en sus inicios solo había un gas caliente e ionizado lleno de electrones e iones de hidrógeno y helio. Después de 400.000 años, el universo se enfrió, y los electrones e iones del hidrógeno se combinaron para formar átomos de hidrógeno neutro.

Nada más sucedió durante varios cientos de millones de años hasta que la primera generación de estrellas se formó, emitiendo una fuerte radiación que ionizó otra vez el hidrógeno, además de sintetizar elementos más pesados, como el carbono y el oxígeno.

El estudio de estos elementos pesados de aquella época remota ofrece pistas a los científicos sobre lo que provocó la reionización, la naturaleza de las primeras estrellas y cómo nacieron las galaxias. Pero hay un problema: el análisis de estos elementos es extremadamente difícil, ya que requiere que los astrónomos encuentren objetos lo más lejos posible, algo que sólo se puede conseguir con los mejores telescopios del mundo.

Se trata de la detección de oxígeno más distante jamás obtenida de forma inequívoca, en una galaxia situada a 13.100 millones de años luz

Uno de ellos es el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), en Chile. En junio de 2015, astrónomos de Japón, Suecia, el Reino Unido y el Observatorio Europeo Austral (ESO) lo utilizaron para observar una de las galaxias más distantes conocidas a la fecha: SXDF-NB1006-2, localizada a 13.100 millones de años luz. Su corrimiento hacia el rojo (de 7,2) implica que la observamos en una época de 700 millones de años después del Big Bang.

“La búsqueda de elementos pesados en los inicios del universo es un enfoque esencial para explorar la actividad de la formación estelar en ese período, y ofrece pistas de lo que causó la reionización”, explica Akio Inoue, de la Universidad de Osaka Sangyo (Japón) y autor principal de este trabajo, que se publica ahora en la revista Science y en el que también han participado científicos del instituto japonés Kavli IPMU.

En 2014 los investigadores ya habían conseguido realizar simulaciones en las que veían que el observatorio ALMA era capaz de detectar la luz a partir del oxígeno ionizado en SXDF-NB1006-2, como así fue. Las observaciones de alta sensibilidad de este observatorio permitieron confirmar la luz proveniente del oxígeno ionizado (doblemente) en esta galaxia. Se trata de la detección de oxígeno más distante jamás obtenido de forma inequívoca.

Menos oxígeno en el universo joven

También se descubrió que el oxígeno en SXDF-NB1006-2 era diez veces menos abundante de lo que es en el Sol. “La poca abundancia  –que ya apuntaban nuestras simulaciones– se explica porque el universo aún era joven y tenía una breve historia de formación estelar en aquel momento”, comenta otro de los autores, Naoki Yoshida, de la Universidad de Tokio.

La detección de oxígeno ionizado indica que muchas estrellas de gran brillo emiten la luz ultravioleta que ioniza los átomos de oxígeno

“Pero tenemos otro resultado inesperado: una cantidad muy pequeña de polvo, que se compone de elementos pesados”, comenta Yoshida. “Algo inusual puede estar ocurriendo en esta galaxia”, añade Inoue, quien sospecha que casi todo el gas “se encuentra muy ionizado”.

La detección de oxígeno ionizado indica que muchas estrellas de gran brillo, un gran número docenas de veces más masivas que el Sol, se han formado en la galaxia y emiten la intensa luz ultravioleta necesaria para ionizar los átomos de oxígeno. «SXDF-NB1006-2 sería un prototipo de las fuentes de luz responsables de la reionización cósmica», señala Inoue.

En la actualidad ya se preparan otra observación con los telescopios de ALMA, y esta vez el equipo espera capturar una imagen de mayor resolución que revele los detalles de distribución del oxígeno ionizado dentro de la galaxia, así como el movimiento del gas a alta velocidad.

Diagrama (no a escala) con los principales hitos en la evolución del universo desde el Big Bang, hace unos 13.800 millones de años atrás. El universo se encontraba en un estado neutro 400.000 años después del Big Bang y permaneció así hasta que la luz de la primera generación de estrellas comenzó a ionizar el hidrógeno. Después de varios cientos de millones de años, el gas se ionizó por completo. / NAOJ