Explorar el amanecer cósmico

Los primeros agujeros negros y estrellas

Nuestro conocimiento de la cosmología ha aumentado enormemente los últimos años. Por un lado, observaciones con mucho detalle de la radiación de fondo de microondas han mostrado una imagen del Universo primigenio, tan sólo 300000 años después del Big Bang. Durante los 500 millones de años que siguieron a este momento estructuras de todas las escalas comenzaron a colapsar bajo los efectos de la gravedad, y así se formaron las primeras galaxias.

¿Cómo explorará el SKA esta era desconocida hasta ahora?

Los telescopios terrestres y espaciales han proporcionado una visión sin precedentes del Universo lejano. Los telescopios ópticos e infrarrojos han obtenido imágenes de galaxias a distancias de unos 13 000 millones de años-luz de la Tierra, en un tiempo en el que el Universo tenía menos de mil años de edad. Los nuevos grandes telescopios espaciales infrarrojos (Planck), y los telescopios ópticos gigantes en la Tierra (Gran telescopio de Canarias) deberían obtener imágenes mejores y con mayor sensibilidad de las primeras galaxias.

Los telescopios espaciales como Planck, que observó la radiación de fondo de microondas, han mapeado la luz del Universo primigenio, justo después del Big Bang.

planck_cmb

El fascinante sondeo de todo el cielo, hecho por el satélite Planck.

Una de las últimas fronteras en cosmología es explorar el amanecer cósmico, cuando las primeras galaxias se formaron. El SKA es el radiotelescopio más sensible que llevará a cabo tales estudios.

Más concretamente, el periodo del Universo primigenio que se estudiará comenzó alrededor de 380000 años después del Big Bang, cuando el Universo era principalmente oscuro hasta que las primeras galaxias comenzaron a brillar.

Es una edad en la que se formaron las protogalaxias y los cuásares, y ha sido una de las épocas del Universo más difíciles de explorar, puesto que estos objetos son excepcionalmente débiles, y una porción importante de su luz se absorbe al interaccionar con la materia mientras que viaja hacia nosotros.

Los barridos más sensibles del cielo en luz visible e infrarrojo han mostrado que estas galaxias jóvenes raramente se parecen a cualquier cosa que se pueda observar en el Universo local, con estrellas que podrían ser órdenes de magnitud mayores que nuestro Sol, y con tiempos de vida mucho más cortos.

El SKA, gracias a su capacidad de obtener mapas de Hidrógeno atómico, proporcionará imágenes del durante y el después de la formación de las fuentes de luz más tempranas de nuestro Universo. Así, obtendrá las medidas más detalladas hechas nunca de las condiciones bajo las que se formaron estas fuentes en este tiempo misterioso.

gofreionisation

Simulación del Universo en HI evolucionando con el tiempo. Las regiones oscuras se corresponden con regiones altamente ionizadas (como por ejemplo las que se encuentran alrededor de las protogalaxias) y las zonas más brillantes son zonas de gás neutro, densas. Crédito: Steve Furlanetto et al. 2003, MNRAS.

 

Entonces, ¿qué es la época de reionización?

Antes de que las primeras estructuras tales como galaxias y estrellas se formaran, la mayoría del gas del Universo, que era predominantemente Hidrógeno, estaba distribuído bastante uniformemente y era eléctricamente neutro. Esta etapa es conocida como “Edad oscura”.

Una propiedad especial del Hidrógeno neutro es que produce una débil radiación a la longitud de onda de 21 cm. En teoría esta propiedad se puede usar para estudiar este periodo, pero en la práctica es una señal muy débil y difícil de detectar a través de la ionosfera terrestre. Pese a todo, una vez que los primeros objetos celestes, protogalaxias y estrellas, comenzaron a formarse debido a inestabilidades gravitacionales, su luz ionizó las regiones de gas que las rodeaban, apagando la emisión de la línea de 21 cm de estas regiones. Los astrónomos han bautizado a este importante evento como “reionización”.

Esta era en la formación del Universo es especialmente difícil de estudiar. No sólo está formada por protogalaxias extremadamente lejanas y débiles, el problema clave es que mucha de su luz en el óptico e incluso en el infrarrojo es absorbida según viaja hacia nosotros.

A partir de observaciones previas con el satélite WMAP y el sondeo SDSS, los científicos están muy emocionados, puesto que las observaciones muestran características no vistas nunca hasta ahora.

Por ejemplo, las primeras protogalaxias se pudieron formar a partir de mecanismos distintos que los que formaron nuestra Vía Láctea, y las estrellas que contienen estras protogalaxias, pueden ser cientos de veces más masivas que nuestro propio Sol.

 Así que, ¿en qué puede ayudar el SKA?

reionexpl_small-240x300

¿Qué es la época de reionización?

El SKA estudiará en detalle las propiedades de los primeros objetos luminosos del Universo, y será capaz de tomar “instantáneas” de la emisión de la línea de 21 cm en muchas épocas diferentes, antes, durante y después de la reionización. Este estudio conducirá a tener una información detallada acerca de la formación de las primeras estructuras en el Universo.

La investigación para encontrar los primeros objetos luminosos del Universo ha sido desde hace tiempo una de las principales motivaciones de la investigación en astrofísica en general, y en cosmología en particular. El interes en estos objetos ha aumentado recientemente a partir de las observaciones del Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) y de cuásares a alto redshift seleccionados por el proyecto  Sloan Digital Sky Survey (SDSS).

El Square Kilometre Array proporcionará imágenes detalladas de la formación de estructuras y la reionización a través de las observaciones de la línea de 21 cm de Hidrógeno neutro afectadas por desplazamiento Doppler. Al contrario que las restricciones impuesta por la radiación de fondo de microondas, la radiación de la línea de 21 cm permite separar las contribuciones de los distintos redshifts.

A partir de observaciones multifrecuencia, se puede, así, construír mapas tridimensionales de gas neutro en el Universo. Tales mapas son fundamentales para estudiar la dependencia con el tiempo de la reionización.

¡y aquí es donde entra la ciencia!

Las observaciones del Sloan Sky Survey han mostrado evidencias de un drástico aumento en la fracción de Hidrógeno neutro del medio intergaláctico a z~6, lo que implica que la época de reionización acabaría en ese momento.

Por otra parte, WMAP ha encontrado una difusión por electrones sorprendentemente alta en la radiación de fondo de microondas, lo que implicaría que la reionización comenzó a z~20.

Todo esto implica que el proceso de reionización es complejo, con fuentes ionizantes con características cualitativamente diferentes (y también dependientes con el tiempo) de las que tienen las galaxias que se pueden observar hoy en día, sin olvidar que las protogalaxias juegan un papel fundamental regulando la formación de subsecuentes generaciones de objetos.

Un “cuásar” o radiofuente cuasiestelar es un núcleo de una galaxia activa, lejano y muy energético. Son excepcionalmente brillantes y se encuentran muy lejos.

Al principio fueron identificados como objetos a alto redshift. Este tipo de objetos emiten extraordinariamente en ondas de radio.

Aunque la naturaleza de estos objetos fue muy controvertida hasta comienzo de los años 80, ahora existe un consenso en la comunidad científica en que los cuásares son regiones compactas alrededor de agujeros negros situados en las zonas centrales de galaxias masivas. Como están situados a unas distancias tan grandes, pueden ser útiles para resolver el rompecabezas que supone la formación del Universo.

La fracción de Hidrógeno ionizado que dejó tras de sí el Big Bang aporta evidencias acerca del periodo en el que se formaron las primeras estrellas y cuásares en el Universo primigenio. Téngase en cuenta que el Hidrógeno neutro que se observa actualmente supone un porcentaje del Hidrógeno neutro que había en el momento en que comenzaron a formarse estrellas.

La estructura emergiente del Universo. Imagen: SKA Organisation / Swinburne astronomy productions.

 

La emisión del medio intergaláctico depende de su densidad, temperatura, y fracción de gas neutro.

Cuando las primeras fuentes de luz se encendieron, el medio intergaláctico se habría podido observar primero en absorción, y después en emisión, según estas fuentes fueran calentando el gas de alrededor.

Las fluctuaciones a lo largo y ancho del cielo muestran cómo las estructuras crecen (a partir de las variaciones de densidad) y cómo ocurre el calentamiento (si a través de choques o de radiación de los primeros objetos).

Las protogalaxias también ionizan porciones de gas alrededor de ellas, “apagando” la emisión de la línea de 21 cm alrededor de estos objetos brillantes. La huella del gas neutro e ionizado, y su evolución con el tiempo, nos dará información acerca de las fuentes responsables de la reionización.

Por otra parte, el SKA tendrá una sensitividad tal que podrá hacer espectros a alta resolución de radiofuentes a alto redshift. Estos espectros proporcionarán información detallada acerca de la evolución temprana del cosmos, el crecimiento de regiones ionizadas alrededor de las protogalaxias, e incluso será la única manera directa de observar minihalos, pequeños grumos de materia oscura y gas en el medio intergaláctico, que están predichos por muchas teorías de formación de estructuras.

Hechos interesantes

  • A principios del siglo veinte, Slipher, Hubble y otros tomaron las primeras medidas de desplazamiento al rojo (o redshift).

Also In this section