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El Telescopio Espacial Spitzer de la NASA reveló que algunas de las primeras galaxias del universo eran más brillantes de lo esperado. El exceso de luz es un subproducto de las galaxias que liberan cantidades increíblemente altas de radiación ionizante. El hallazgo ofrece pistas sobre la causa de la Época de Reionización, un evento cósmico importante que transformó el universo de ser casi opaco al brillante paisaje de estrellas que se ve hoy en día.

En un nuevo estudio, los investigadores informan sobre las observaciones de algunas de las primeras galaxias que se formaron en el universo, menos de mil millones de años después del Big Bang (o hace poco más de 13.000 millones de años). Los datos muestran que en algunas longitudes de onda específicas de luz infrarroja, las galaxias son considerablemente más brillantes de lo que los científicos anticiparon. El estudio es el primero en confirmar este fenómeno en una gran muestra de galaxias de este período, que muestra que no se trata de casos especiales de brillo excesivo, sino que incluso las galaxias promedio presentes en ese momento eran mucho más brillantes en estas longitudes de onda que las galaxias que vemos hoy.

Nadie sabe con certeza cuándo las primeras estrellas de nuestro universo cobraron vida. Pero la evidencia sugiere que entre aproximadamente 100 millones y 200 millones de años después del Big Bang, el universo se llenó principalmente de hidrógeno gaseoso neutro que tal vez recién había comenzado a unirse en estrellas, que luego comenzaron a formar las primeras galaxias. Alrededor de mil millones de años después del Big Bang, el universo se había convertido en un firmamento brillante. Algo más había cambiado también: los electrones del omnipresente gas de hidrógeno neutro se habían eliminado en un proceso conocido como ionización. La época de la reionización, el cambio de un universo lleno de hidrógeno neutro a uno lleno de hidrógeno ionizado, está bien documentada.

Antes de esta transformación de todo el universo, las formas de luz de longitud de onda larga, como las ondas de radio y la luz visible, atravesaban el universo más o menos sin restricciones. Pero las longitudes de onda más cortas de la luz, incluida la luz ultravioleta, los rayos X y los rayos gamma, fueron interrumpidas por átomos de hidrógeno neutros. Estas colisiones despojarían los átomos de hidrógeno neutro de sus electrones, ionizándolos.

Pero, ¿qué podría haber producido suficiente radiación ionizante para afectar a todo el hidrógeno del universo? ¿Fueron estrellas individuales?, ¿galaxias gigantes?. Si cualquiera de las dos fuera la culpable, esos colonizadores cósmicos tempranos habrían sido diferentes a la mayoría de las estrellas y galaxias modernas, que generalmente no liberan altas cantidades de radiación ionizante. Por otra parte, tal vez algo más causó el evento, como los quásares, galaxias con centros increíblemente brillantes impulsados por enormes cantidades de material que orbitan agujeros negros supermasivos.

"Es una de las mayores preguntas abiertas en cosmología observacional", dijo Stephane De Barros, autor principal del estudio e investigador postdoctoral en la Universidad de Ginebra en Suiza. "Sabemos que sucedió, pero ¿qué lo causó? Estos nuevos hallazgos podrían ser una gran pista".

Buscando Luz

Para mirar hacia atrás en el tiempo, justo antes de que terminara la Época de Reionización, Spitzer contempló dos regiones del cielo durante más de 200 horas cada una, lo que permitió que el telescopio espacial recolectara luz que había viajado durante más de 13.000 millones de años para alcanzarnos.

Utilizando estas observaciones ultra profundas de Spitzer, el equipo de astrónomos observó 135 galaxias distantes y descubrió que todas eran particularmente brillantes en dos longitudes de onda específicas de luz infrarroja producidas por la radiación ionizante que interactúa con los gases de hidrógeno y oxígeno dentro de las galaxias. Esto implica que estas galaxias estaban dominadas por estrellas jóvenes y masivas compuestas principalmente de hidrógeno y helio. Contienen cantidades muy pequeñas de elementos "pesados" (como nitrógeno, carbono y oxígeno) en comparación con las estrellas que se encuentran en las galaxias modernas.

Estas estrellas no fueron las primeras estrellas en formarse en el universo (habrían estado compuestas únicamente de hidrógeno y helio), pero aún eran miembros de una generación muy temprana de estrellas. La Época de Reionización no fue un evento instantáneo, así que mientras los nuevos resultados no son suficientes para cerrar el libro sobre este evento cósmico, sí brindan nuevos detalles sobre cómo evolucionó el universo en este momento y cómo se desarrolló la transición.

"No esperábamos que Spitzer, con un espejo que no fuera más grande que un Hula-Hoop, fuera capaz de ver galaxias tan cerca del comienzo de los tiempos", dijo Michael Werner, científico del proyecto de Spitzer en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en Pasadena, California. "Pero la naturaleza está llena de sorpresas, y el brillo inesperado de estas primeras galaxias, junto con el magnífico rendimiento de Spitzer, las pone al alcance de nuestro pequeño pero poderoso observatorio".

El Telescopio Espacial James Webb de la NASA, que se lanzará en 2021, estudiará el universo en muchas de las mismas longitudes de onda observadas por Spitzer. Pero donde el espejo primario de Spitzer tiene un diámetro de solo 85 centímetros, el de Webb es de 6,5 metros, aproximadamente 7,5 veces más grande, lo que permitirá a Webb estudiar estas galaxias con mucho mayor detalle. De hecho, Webb intentará detectar la luz de las primeras estrellas y galaxias del universo. El nuevo estudio muestra que debido a su brillo en esas longitudes de onda infrarrojas, las galaxias observadas por Spitzer serán más fáciles de estudiar para Webb de lo que se pensaba anteriormente.

"Estos resultados de Spitzer son ciertamente otro paso para resolver el misterio de la reionización cósmica", dijo Pascal Oesch, profesor asistente de la Universidad de Ginebra y coautor del estudio. "Ahora sabemos que las condiciones físicas en estas galaxias tempranas eran muy diferentes a las de las galaxias típicas de hoy. El trabajo del Telescopio Espacial James Webb será el trabajo de resolver las razones detalladas de por qué".