Finalmente sabemos qué trajo la luz al vacío oscuro y informe del Universo primitivo.
Según datos de los telescopios espaciales Hubbles y James Webb, los orígenes de los fotones que volaban libremente en el temprano amanecer cósmico fueron pequeñas galaxias enanas que cobraron vida, despejando la niebla de turbio hidrógeno que llenaba el espacio intergaláctico.
“Este descubrimiento revela el papel crucial desempeñado por las galaxias ultra débiles en la evolución del Universo temprano”, dice la astrofísica Iryna Chemerynska del Instituto de Astrofísica de París.
“Producen fotones ionizantes que transforman el hidrógeno neutro en plasma ionizado durante la reionización cósmica. Esto resalta la importancia de comprender las galaxias de baja masa en la configuración de la historia del Universo”.
Al comienzo del Universo, pocos minutos después del Big Bang, el espacio se llenó de una densa y caliente niebla de plasma ionizado. La poca luz que había no habría penetrado esta niebla; los fotones simplemente se habrían dispersado de los electrones libres que flotaban alrededor, oscureciendo efectivamente el Universo.
A medida que el Universo se enfrió, después de unos 300.000 años, los protones y los electrones comenzaron a unirse para formar gas hidrógeno neutro (y un poco de helio). La mayoría de las longitudes de onda de la luz podían penetrar este medio neutro, pero había muy pocas fuentes de luz para producirla. Pero de este hidrógeno y helio nacieron las primeras estrellas.
Esas primeras estrellas emitieron radiación lo suficientemente fuerte como para arrancar electrones de sus núcleos y reionizar el gas. Sin embargo, en ese momento el Universo se había expandido tanto que el gas era difuso y no podía evitar que la luz brillara. Aproximadamente mil millones de años después del Big Bang, el final del período conocido como amanecer cósmico, el Universo estaba completamente reionizado. ¡Ta-da! Las luces estaban encendidas.
Pero debido a que hay tanta oscuridad en el amanecer cósmico, y debido a que es tan oscuro y lejano en el tiempo y el espacio, hemos tenido problemas para ver lo que hay allí. Los científicos pensaban que las fuentes responsables de la mayor parte de la limpieza debían haber sido poderosas: enormes agujeros negros cuya acreción produce una luz deslumbrante, por ejemplo, y grandes galaxias en pleno proceso de formación estelar (las estrellas jóvenes producen mucha luz ultravioleta).
JWST fue diseñado, en parte, para observar el amanecer cósmico y tratar de ver qué se esconde en él. Ha tenido mucho éxito y ha revelado todo tipo de sorpresas sobre este momento crucial en la formación de nuestro Universo. Sorprendentemente, las observaciones del telescopio sugieren ahora que las galaxias enanas son el actor clave en la reionización.
Un equipo internacional dirigido por el astrofísico Hakim Atek del Instituto de Astrofísica de París recurrió a los datos del JWST sobre un cúmulo de galaxias llamado Abell 2744, respaldados por datos del Hubble. Abell 2744 es tan denso que el espacio-tiempo se deforma a su alrededor, formando una lente cósmica; cualquier luz distante que viaje hacia nosotros a través de ese espacio-tiempo se magnifica. Esto permitió a los investigadores ver pequeñas galaxias enanas cercanas al amanecer cósmico.
Luego, utilizaron JWST para obtener espectros detallados de estas pequeñas galaxias. Su análisis reveló que estas galaxias enanas no sólo son el tipo de galaxia más abundante en el Universo temprano, sino que son mucho más brillantes de lo esperado. De hecho, la investigación del equipo muestra que las galaxias enanas superan en número a las galaxias grandes en una proporción de 100 a 1, y su producción colectiva es cuatro veces la radiación ionizante que normalmente se supone para las galaxias más grandes.
“Estas potencias cósmicas emiten colectivamente energía más que suficiente para realizar el trabajo”. Atek dice. “A pesar de su pequeño tamaño, estas galaxias de baja masa son prolíficas productoras de radiación energética, y su abundancia durante este período es tan sustancial que su influencia colectiva puede transformar todo el estado del Universo”.
Es la mejor evidencia hasta el momento de la fuerza detrás de la reionización, pero aún queda trabajo por hacer. Los investigadores observaron una pequeña porción del cielo; necesitan asegurarse de que su muestra no sea sólo un cúmulo anómalo de galaxias enanas, sino una muestra representativa de toda la población en el amanecer cósmico.
Pretenden estudiar más regiones de lentes cósmicas del cielo para obtener una muestra más amplia de las primeras poblaciones galácticas. Pero sólo con esta muestra, los resultados son increíblemente emocionantes. Los científicos han estado buscando respuestas sobre la reionización desde que la conocemos. Estamos a punto de finalmente disipar la niebla.
“Ahora hemos entrado en territorio inexplorado con el JWST”, dice el astrofísico Themiya Nanayakkara de la Universidad Tecnológica de Swinburne en Australia.
“Este trabajo abre preguntas más interesantes que debemos responder en nuestros esfuerzos por trazar la historia evolutiva de nuestros comienzos”.
La investigación ha sido publicada en Naturaleza.