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Las galaxias más pequeñas determinaron propiedades del universo temprano

Una simulación informática aporta información sorprendente sobre una de las fases iniciales de la formación del cosmos


Astrónomos que investigan el comportamiento del universo poco después del Big Bang (gran explosión que lo originó) aseguran haber hecho un descubrimiento sorprendente: las propiedades del universo temprano fueron determinadas por las galaxias más pequeñas, al contrario de lo que hasta ahora se pensaba.





Vista del volumen completo de la simulación mostrando la estructura a gran escala del gas, que se distribuye en filamentos y grumos. Las regiones rojas son calentadas por la luz ultravioleta proveniente de las galaxias (resaltadas en blanco). Estas galaxias son más de 1.000 veces menos masivas que la Vía Láctea, pero contribuyeron con cerca de un tercio de la luz ultravioleta a la reionización. La imagen representa al universo cuando este tenía sólo 700 millones de años. Imagen: John Wise. Fuente: RAS.
Vista del volumen completo de la simulación mostrando la estructura a gran escala del gas, que se distribuye en filamentos y grumos. Las regiones rojas son calentadas por la luz ultravioleta proveniente de las galaxias (resaltadas en blanco). Estas galaxias son más de 1.000 veces menos masivas que la Vía Láctea, pero contribuyeron con cerca de un tercio de la luz ultravioleta a la reionización. La imagen representa al universo cuando este tenía sólo 700 millones de años. Imagen: John Wise. Fuente: RAS.
Astrónomos que investigan el comportamiento del universo poco después del Big Bang (gran explosión que lo originó) aseguran haber hecho un descubrimiento sorprendente: las propiedades del universo temprano fueron determinadas por las galaxias más pequeñas, al contrario de lo que hasta ahora se pensaba.

En general, las observaciones sugieren que el universo tal y como lo conocemos empezó hace aproximadamente 13.810 millones de años. El Big Bang fue seguido inmediatamente por una fase aún poco comprendida: la fracción de segundo en que el universo estaba extremadamente caliente y contenía partículas con una energía tan alta que solo puede reproducirse en aceleradores de partículas. En ese tiempo, el universo estaba ionizado.

Después, en una siguiente fase del cosmos primigenio, se fueron formando los primeros protones, neutrones y electrones; y a continuación los átomos. Esta estapa es conocida como de "recombinación", pues fue el tiempo en que el enfriamiento del universo -como consecuencia de su expansión- permitió que los protones se recombinasen con electrones, para formar átomos neutros.

Fue entonces cuando se creó el hidrógeno neutro -el gas frío que dio origen a las primeras estrellas- y finalmente la época de todas las formaciones estructurales; incluidas las galaxias. A partir de ahí, se produjo la fase conocida como “reionización”: cuando las primeras generaciones de estrellas emitieron radiación, el cosmos volvió a convertirse en un plasma ionizado.

¿Pero, qué pasó durante la "edad oscura" del universo, justo antes de la creación de las estrellas? Los astrónomos no han podido averiguarlo con los telescopios convencionales. Y la luz solo volvió con la reionización, tras la formación de galaxias.

Una controversia astronómica

Los astrónomos coinciden en la siguiente cronología: el universo llegó a estar completamente reionizado aproximadamente mil millones de años después del Big Bang.

Alrededor de 200 millones de años después de esa gran explosión que dio origen al cosmos, fue cuando la radiación ultravioleta (UV) procedente de las estrellas comenzó a dividir el hidrógeno neutro que las había creado en electrones y protones.

Llevó otros 800 millones de años completar este proceso en todas partes. Esta época de reionización marcó el último gran cambio del universo, que sigue estando ionizado hoy día, más de 12 mil millones de años después.

Sin embargo, los astrónomos no están de acuerdo en una cuestión: qué tipo de galaxias jugó el papel más importante en todo este proceso. La mayoría ha apostado por las grandes galaxias y ha investigado estas, pero un nuevo estudio, realizado por investigadores del Georgia Institute of Technology y del San Diego Supercomputer Center de Estados Unidos, indica que las galaxias más pequeñas habrían jugado un papel fundamental en la reionización del cosmos, que es la causa de su constitución actual.

Las estrellas de las galaxias menores

Los investigadores usaron simulaciones informáticas para demostrar que las galaxias más débiles y pequeñas del universo temprano resultaron esenciales en este sentido.

Estas pequeñas galaxias - a pesar de ser 1.000 veces menores en masa y 30 veces más pequeñas en tamaño que nuestra propia galaxia, la Vía Láctea - aportaron casi el 30% de la luz ultravioleta durante este proceso.

A menudo, otras investigaciones han pasado por alto estas pequeñas galaxias enanas, ya que no se cree que formaran estrellas, porque la luz ultravioleta de galaxias más grandes y cercanas fue demasiado fuerte, y suprimió a estas diminutas vecinas.

Sin embargo, "resulta que estas galaxias enanas sí formaron estrellas, alrededor de unos 500 millones de años después del Big Bang", explica el profesor John Wise, del Georgia Institute of Technology, director del estudio, en un comunicado de la Royal Astronomical Society (RAS). Dichas galaxias "eran pequeñas, pero tan abundantes que aportaron una fracción significativa de la luz ultravioleta del proceso de reionización", asegura Wise.

Fotones ionizantes escapados de las galaxias

En sus simulaciones, el equipo modeló el flujo de luz ultravioleta estelar a través del gas presente en las galaxias, a medida que estas se formaban.

Así, descubrieron que la fracción de fotones ionizantes que escapó hacia el espacio intergaláctico fue del 50% en las pequeñas galaxias (más de 10 millones de masas solares), y solo del 5% en las galaxias más grandes (300 millones de masas solares).

Esta fracción elevada, combinada con la gran abundancia de galaxias pequeñas, es exactamente la razón por la cual estas galaxias más tenues jugaron un papel integral durante la reionización.

"Es muy difícil para la luz ultravioleta escapar de las galaxias, debido al denso gas que las llena", explica Wise. "En las galaxias pequeñas, hay menos gas entre las estrellas, por lo que fue más fácil para la luz UV salir de ellas. Además, las explosiones de supernova (muerte de las estrellas) pueden abrir canales más fácilmente en estas pequeñas galaxias, por los que la luz UV puede escapar".

Una línea de tiempo

Los resultados obtenidos de la simulación han proporcionado asimismo una línea de tiempo gradual del progreso de reionización, durante cientos de millones de años.

Señala que, alrededor de 300 millones de años después del Big Bang, el universo se encontraba ionizado en un 20%. El 50% de ionización se alcanzó a los 550 millones de años del nacimiento del cosmos. Finalmente, el universo simulado se encontró completamente ionizado 860 millones de años después de su creación.

"Que estas pequeñas galaxias pudieron contribuir mucho a la reionización ha sido una verdadera sorpresa", afirma el profesor Michael Norman, de la Universidad de California en San Diego, otro de los co-autores del artículo. "Una vez más, la supercomputación nos está enseñando algo nuevo e inesperado; algo que tendrá que tenerse en cuenta en los futuros estudios sobre la reionización ".

El equipo de investigación espera aprender más acerca de estas galaxias débiles cuando la próxima generación de telescopios se encuentre operativa. Por ejemplo, el Telescopio Espacial James Webb de la NASA, cuyo lanzamiento esta programado para 2018, será capaz de ver dichas galaxias.

Referencia bibliográfica:

Wise J. el al. The Birth of a Galaxy - III. Propelling reionisation with the faintest galaxies. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2014). DOI: 10.1093/mnras/stu979.


Lunes, 7 de Julio 2014
Redacción T21
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