En el universo primitivo, el gas entre las estrellas y las galaxias era opaco: la luz estelar energética no podía penetrarlo. Pero mil millones de años después del Big Bang, el gas se había vuelto completamente transparente. ¿Por qué? Nuevos datos del Telescopio Espacial James Webb de la NASA han identificado la razón: las estrellas de las galaxias emitieron suficiente luz para calentar e ionizar el gas a su alrededor, despejando nuestra visión colectiva durante cientos de millones de años.
Los resultados, facilitados por un equipo de investigación dirigido por Simon Lilly de ETH Zürich en Suiza, son los conocimientos más recientes sobre un período de tiempo conocido como la Era de la Reionización, cuando el universo experimentó cambios dramáticos. Después del Big Bang, el gas del universo era increíblemente caliente y denso. Durante cientos de millones de años, el gas estuvo enfriándose. Luego, el universo pulsó la función «repetir». El gas volvió a calentarse e ionizarse, probablemente debido a la formación de las primeras estrellas en las galaxias, y después de varios millones de años, se volvió transparente.
James Webb es «máquina espectroscópica de corrimiento al rojo espectacular«, única para estudiar el universo primitivo
Los investigadores han buscado durante mucho tiempo pruebas definitivas para explicar estas transformaciones. Los nuevos resultados abren efectivamente el telón al final de este período de reionización. «Webb no solo muestra claramente que estas regiones transparentes se encuentran alrededor de las galaxias, sino que también hemos medido su tamaño«, explica Daichi Kashino, de la Universidad de Nagoya en Japón, autor principal del primer artículo del equipo. «Con los datos de Webb, estamos viendo que las galaxias reionizan el gas que las rodea«.
Estas regiones de gas transparente son gigantes en comparación con las galaxias: imaginemos un globo aerostático con un guisante suspendido dentro. Los datos de Webb muestran que estas galaxias relativamente pequeñas impulsaron la reionización, limpiando regiones masivas de espacio a su alrededor. Durante los siguientes cien millones de años, estas «burbujas» transparentes continuaron creciendo más y más, fusionándose eventualmente y haciendo que todo el universo se volviera transparente.
La Era de la Reionización
El equipo de Lilly apuntó intencionalmente a un momento justo antes del final de la Era de la Reionización, cuando el universo no era del todo claro ni del todo opaco: contenía un mosaico de gas en varios estados. Los científicos apuntaron a Webb en la dirección de un cuásar, un agujero negro supermasivo activo extremadamente luminoso que actúa como una enorme linterna, resaltando el gas entre el cuásar y nuestros telescopios. Está situado en el centro de esta vista: es pequeño y rosado con seis picos de difracción prominentes.
A medida que la luz del cuásar viajó hacia nosotros a través de diferentes parches de gas, fue absorbida por el gas opaco o se movió libremente a través del gas transparente. Los resultados innovadores del equipo solo fueron posibles al combinar los datos de Webb con las observaciones del cuásar central del Observatorio W. M. Keck en Hawái, y el Very Large Telescope del Observatorio Europeo Austral y el Telescopio Magallanes en el Observatorio Las Campanas, ambos en Chile.
Un cuásar, instrumento esencial para este estudio
«Al iluminar el gas a lo largo de nuestra línea de visión, el cuásar nos brinda amplia información sobre la composición y el estado del gas«, explica Anna-Christina Eilers del MIT en Cambridge, Massachusetts, autora principal de otro artículo del equipo.
Luego, los investigadores utilizaron Webb para identificar galaxias cerca de esta línea de visión y demostraron que las galaxias generalmente están rodeadas por regiones transparentes de aproximadamente 2 millones de años luz de radio. En otras palabras, Webb fue testigo de galaxias en el proceso de despejar el espacio a su alrededor al final de la Era de la Reionización. Para poner esto en perspectiva, el área que estas galaxias han despejado es aproximadamente la misma distancia que el espacio entre nuestra galaxia, la Vía Láctea, y nuestro vecino más cercano, Andrómeda.
Unas galaxias con una juventud bastante aventurera
Hasta ahora, los investigadores no tenían esta evidencia definitiva de lo que causó la reionización; antes de Webb, no estaban seguros de cuál era el fenómeno responsable.
¿Cómo son estas galaxias? «Son más caóticas que los del universo cercano«, explicó Jorryt Matthee, también de ETH Zürich y autor principal del segundo artículo del equipo. «Webb muestra que estaban formando estrellas activamente y deben haber estado disparando muchas supernovas. ¡Tuvieron una juventud bastante aventurera!»
En el camino, Eilers usó los datos de Webb para confirmar que el agujero negro en el cuásar en el centro de este campo es el más masivo conocido actualmente en el universo primitivo, con un peso de 10 mil millones de veces la masa del Sol. «Todavía no podemos explicar cómo los cuásares pudieron crecer tanto en una etapa tan temprana de la historia del universo», recuerda. «¡Ese es otro rompecabezas para resolver!» Las exquisitas imágenes de Webb tampoco revelaron evidencia de que la luz del quásar se haya deformado con un efecto de lente gravitacional, lo que garantiza que las mediciones de masa sean definitivas.
Cinco campos adicionales
El equipo pronto se sumergirá en la investigación sobre galaxias en cinco campos adicionales, cada uno anclado por un cuásar central. Los resultados de Webb del primer campo fueron tan abrumadoramente claros que no podían esperar para compartirlos. «Esperábamos identificar unas pocas docenas de galaxias que existieron durante la Era de la Reionización, pero pudimos identificar fácilmente 117«, explica Kashino. «Webb ha superado nuestras expectativas«.
El equipo de investigación de Lilly, Emission-line galaxys and Intergalactic Gas in the Epoch of Reionization (EIGER), ha demostrado el poder único de combinar imágenes convencionales de la NIRCam (Cámara de infrarrojo cercano) de Webb con datos de la espectroscopia sin ranuras del modo de campo amplio del mismo instrumento, que da un espectro de cada objeto en las imágenes, convirtiendo a Webb en lo que el equipo llama una «máquina espectroscópica de corrimiento al rojo espectacular«, única para estudiar el universo primitivo.
Fuentes:
Daichi Kashino y otros, EIGER. I. Una gran muestra de galaxias emisoras de [O iii] a 5,3 < z < 6,9 y evidencia directa de reionización local por galaxias, The Astrophysical Journal (2023). DOI: 10.3847/1538-4357/acc588
Jorryt Matthee y otros, EIGER. II. Primera caracterización espectroscópica de las estrellas jóvenes y el gas ionizado asociado con una fuerte emisión de líneas Hβ y [O iii] en galaxias en z = 5–7 con JWST, The Astrophysical Journal (2023). DOI: 10.3847/1538-4357/acc846
Anna-Christina Eilers y otros, EIGER. III. Observaciones JWST/NIRCam del cuásar ultraluminoso de alto corrimiento al rojo J0100+2802, The Astrophysical Journal (2023). DOI: 10.3847/1538-4357/acd776
