El JWST reescribe la historia: el universo se encendió mucho antes

La historia del universo no cuadra del todo. Creíamos saber cuándo las primeras estrellas y galaxias iluminaron el oscuro cosmos. Nuevos telescopios observaron más allá en el tiempo y el espacio. Lo que encontraron es alucinante. El universo comenzó mucho más rápido de lo que nuestros modelos predecían.

Antes del JWST, me imaginaba el amanecer cósmico como un despertar lento. El Big Bang dio origen al universo y, posteriormente, lo sumió en las Edades Oscuras Cósmicas. Esta era duró cientos de millones de años. Plasma caliente y denso llenó el universo. Se enfrió. Los electrones se combinaron con los protones, formando átomos neutros de hidrógeno y helio.

Este gas neutro hizo que el universo fuera opaco. No existían estrellas ni galaxias. Era una vasta y fría extensión de gas neutro. Los científicos llaman a esto la “Época de Reionización”. Eso es lo que estamos tratando de entender.

Los telescopios son máquinas del tiempo. La luz viaja a una velocidad finita. Observar objetos distantes implica captar luz de hace miles de millones de años. Vemos el universo tal como era. Esto nos ayuda a estudiar el “DÓNDE” y el “CUÁNDO” del amanecer cósmico. Los astrónomos del Hubble y del JWST son el “QUIÉN” en esta historia de detectives cósmicos.

Primeras pistas del Hubble sobre un amanecer apresurado

Durante décadas, el Hubble llevó al límite nuestra visión. Nos ofreció las primeras imágenes reales del universo temprano. A mediados de la década de 2000, el Hubble encontró galaxias débiles y distantes. Databan de cuando el universo tenía menos de mil millones de años. Sus sondeos profundos, como el Hubble Ultra Deep Field, revelaron miles de galaxias.

Hacia 2016, el Hubble, a través del programa Frontier Fields, mostró galaxias con corrimientos al rojo de hasta z~11. Su luz viajó más de 13 mil millones de años para llegar a nosotros. Estas galaxias diminutas y en formación parecían sorprendentemente numerosas. El Dr. Richard Ellis de la UCL dirigió esta investigación. Sugirió que la formación estelar era más eficiente de lo que se pensaba inicialmente.

Las capacidades infrarrojas del Hubble eran limitadas. Apenas detectaba luz con corrimiento al rojo de objetos distantes. Solo veíamos las puntas más brillantes del iceberg. Sin embargo, la cantidad de estos objetos tempranos insinuaba algo. El universo parecía estar iluminándose más rápido de lo que sugerían los modelos. Me sorprendió la cantidad de galaxias que encontró el Hubble, dadas sus limitaciones.

La icónica imagen del Hubble Ultra Deep Field captura miles de galaxias, algunas que datan de menos de mil millones de años después del Big Bang, proporcionando información crucial sobre la sorprendentemente rápida formación estelar temprana del universo. (Source: esawebb.org)

El JWST revela una infancia inesperadamente brillante

Luego llegó el Telescopio Espacial James Webb. Lanzado el 25 de diciembre de 2021, el JWST tenía una sensibilidad infrarroja inigualable. Su espejo primario de 6.5 metros es mucho más grande que los 2.4 metros del Hubble. Recogió mucha más luz. También exploró con mayor profundidad el espectro infrarrojo. Esto es vital para observar objetos con un alto corrimiento al rojo.

Las primeras imágenes a todo color del JWST llegaron en julio de 2022. Inmediatamente remodelaron nuestra comprensión. En cuestión de meses, sondeos como CEERS (Cosmic Evolution Early Release Science) y JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey) hicieron descubrimientos increíbles. Los investigadores encontraron galaxias con corrimientos al rojo z > 10, algunas incluso más allá de z = 13. GLASS-z13 y JADES-GS-z13-0, por ejemplo, estuvieron entre las primeras confirmadas. Su luz las abandonó cuando el universo tenía solo unos 330 millones de años.

La verdadera sorpresa no fue solo encontrar estas galaxias. Fue su tamaño y brillo. La Dra. Emma Chapman de Nottingham expresó la sorpresa colectiva. Estas galaxias tempranas eran mucho más brillantes y masivas de lo que predecían los modelos estándar. Algunas tenían masas estelares equivalentes a miles de millones de soles. Esto sugiere que formaron estrellas muy rápidamente.

Mi momento de revelación llegó al ver estas imágenes de galaxias. Los modelos predecían un crecimiento lento y gradual. Pero estas galaxias eran como niños pequeños completamente formados, no recién nacidos. Se sintió como ver una película a cámara rápida. El universo fabricó estrellas y galaxias a un ritmo asombroso. Esto desafió el modelo Lambda-CDM. Sugirió un proceso mucho más rápido.

El enigma de la reionización: ¿adónde fue toda la luz ionizante?

El JWST nos mostró un universo repleto de galaxias tempranas y brillantes. Pero otra pieza del rompecabezas nos desafía. La reionización ocurrió cuando el universo cambió de hidrógeno predominantemente neutro a predominantemente ionizado. La luz ultravioleta de las primeras estrellas y cuásares impulsó esto. Estudiarlo nos ayuda a comprender la producción total de fotones ionizantes.

Los astrónomos utilizan radiotelescopios como el Low-Frequency Array (LOFAR) en Europa y el Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA) en Sudáfrica. Estos instrumentos buscan la débil señal de 21 cm del hidrógeno neutro. Esta señal sondea directamente las Edades Oscuras. Sus observaciones sugieren que la reionización concluyó en gran medida alrededor de un corrimiento al rojo de z6 a z7. Esto significa que se completó cuando el universo tenía entre 800 y 900 millones de años.

El Telescopio Espacial James Webb, lanzado en diciembre de 2021, se ve completamente desplegado en el espacio. Su espejo primario de 6.5 metros, significativamente más grande que el del Hubble, permite su inigualable sensibilidad infrarroja para observar objetos con alto corrimiento al rojo y las galaxias más tempranas del universo. (Source: space.com)

Aquí está la tensión. El JWST muestra muchas galaxias masivas y brillantes en z > 10. ¿Entonces por qué la reionización tardó tanto? Estas galaxias tempranas deberían haber producido una avalancha de fotones ionizantes. La Dra. Anastasia Fialkov, cosmóloga de Cambridge, señala esta discrepancia. Las muchas fuentes brillantes del JWST implican una reionización más rápida. Pero las observaciones de 21 cm de LOFAR sugieren un proceso más largo.

Quizás las galaxias tempranas formaron estrellas muy bien. Pero quizás sus fotones ionizantes escaparon al espacio de manera menos efectiva. Otra hipótesis es que las primeras estrellas, las estrellas de Población III, desempeñaron un papel más importante. Estas estrellas hipotéticas eran masivas, libres de metales y de vida corta. Produjeron una inmensa radiación ionizante. Son demasiado débiles para que el JWST las vea. El “enigma de la reionización” sigue siendo un área de investigación importante. Nos hace repensar la formación temprana de galaxias y cómo afectó al gas entre ellas.

Preguntas frecuentes

¿Qué es el amanecer cósmico? El amanecer cósmico es cuando las primeras estrellas y galaxias se encendieron. Esto puso fin a las “Edades Oscuras” del universo. Su luz luego ionizó el gas de hidrógeno neutro que llenaba el espacio.

¿Cómo ven los telescopios tan atrás en el tiempo? Los telescopios actúan como máquinas del tiempo porque la luz viaja a una velocidad finita. Cuando los astrónomos observan objetos distantes, capturan luz que partió hace miles de millones de años. Esto nos muestra el universo en su infancia.

¿Cuál es la principal sorpresa de los descubrimientos del JWST? El JWST encontró muchas galaxias masivas y brillantes en épocas muy tempranas (z > 10). Esto demuestra que la formación estelar y el crecimiento de las galaxias ocurrieron mucho más rápido y antes. Los modelos anteriores no predecían esto.

¿Cuáles fueron las “edades oscuras” del universo? Las Edades Oscuras llegaron después del Big Bang. Duraron cientos de millones de años. El universo se llenó entonces de gas de hidrógeno y helio neutro. Aún no existían estrellas ni galaxias para producir luz.

El futuro de la primera luz

Los descubrimientos del JWST abrieron un nuevo capítulo en la cosmología. Han obligado a los astrónomos a repensar la formación y evolución de las galaxias. Nos enfrentamos al desafío de entender la rapidez con la que el universo ensambló sus primeras estructuras. Esto desafía nuestra comprensión de los halos de materia oscura y la eficiencia de la formación estelar. Sugiere que nuestros modelos del universo temprano podrían necesitar grandes ajustes.

El LOFAR (Low-Frequency Array) es una vasta red de radiotelescopios en toda Europa, diseñada para detectar débiles señales de radio del universo temprano. Sus observaciones de 21 cm de hidrógeno neutro proporcionan datos cruciales sobre la época de reionización, creando una tensión clave con los hallazgos del JWST sobre la formación temprana de galaxias. (Source: observatoiredeparis.psl.eu)

Futuras observaciones del JWST llevarán estos límites aún más lejos. Los científicos buscarán galaxias aún más tempranas. También buscarán evidencia directa de estrellas de Población III. Radiotelescopios de próxima generación, como el Square Kilometre Array (SKA), medirán la señal de 21 cm con mayor precisión. Esto ayudará a resolver el enigma de la reionización. La infancia del universo es mucho más dinámica y compleja de lo que imaginábamos. Esto no es solo un ajuste a nuestros modelos. Es un cambio fundamental en cómo vemos la historia cósmica, obligándonos a reescribir los primeros capítulos del universo.

El Square Kilometre Array (SKA) es un ambicioso proyecto internacional que construye el radiotelescopio más grande del mundo, con sitios en Australia y Sudáfrica. Una vez completado, su vasta red de antenas parabólicas y antenas explorará las épocas más tempranas del universo, incluyendo el 'amanecer cósmico' y el período de reionización. (Source: space.com)

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