07 Mar Los Quásares revelan la historia del Universo primitivo

Astrofísicos de Australia arrojan nueva luz sobre el estado del universo hace 13 mil millones de años al medir la densidad del carbono en los gases que rodeaban las galaxias antiguas. El estudio, publicado en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, añade otra pieza al rompecabezas de la historia del universo.

«Descubrimos que la fracción de carbono en el gas caliente aumentó rápidamente hace unos 13 mil millones de años, lo que puede estar relacionado con el calentamiento a gran escala del gas asociado con el fenómeno conocido como la Época de Reionización», dice la Dra. Rebecca Davies, asociada de investigación postdoctoral de ASTRO 3D en la Universidad Tecnológica de Swinburne, Australia, y autora principal del artículo que describe el descubrimiento.

El estudio muestra que la cantidad de carbono caliente aumentó repentinamente en un factor de cinco durante un período de solo 300 millones de años, un abrir y cerrar de ojos en escalas de tiempo astronómicas. Si bien estudios anteriores sugirieron un aumento en el carbono caliente, se necesitaron muestras mucho más grandes, la base del nuevo estudio, para proporcionar estadísticas para medir con precisión la tasa de este crecimiento. «Eso es lo que hemos hecho aquí. Por lo tanto, presentamos dos posibles interpretaciones de esta rápida evolución», dice la Dra. Davies.

La primera es que hay un aumento inicial de carbono alrededor de las galaxias simplemente porque hay más carbono en el universo: «Durante el período en que se forman las primeras estrellas y galaxias, se forman muchos elementos pesados porque nunca tuvimos carbono antes de tener estrellas», dice la Dra. Davies. «Entonces, una posible razón de este rápido aumento es que estamos viendo los productos de las primeras generaciones de estrellas».

Sin embargo, el estudio también encontró evidencia de que la cantidad de carbono frío disminuyó durante el mismo período. Esto indica que podría haber dos fases diferentes en la evolución del carbono: un rápido aumento mientras se produce la reionización, seguido de un aplanamiento.

La época de la reionización, que tuvo lugar cuando el universo tenía «solo» mil millones de años, fue cuando las luces volvieron a encenderse después de la Edad Oscura cósmica que siguió al Big Bang. Antes de esto, el universo era una densa y oscura niebla de gas, pero cuando se formaron las primeras estrellas masivas, su luz comenzó a brillar a través del espacio y reionizar el cosmos. Esta luz puede haber provocado un calentamiento rápido del gas circundante, lo que provocó el aumento del carbono caliente observado en este estudio.

Los estudios de reionización son vitales para comprender cuándo y cómo se formaron las primeras estrellas y comenzaron a producir los elementos que existen hoy. Pero las mediciones han sido notoriamente difíciles.

«La investigación dirigida por la Dra. Davies se basó en una muestra excepcional de datos obtenidos durante 250 horas de observaciones en el Very Large Telescope (VLT) en el Observatorio Europeo Austral en Chile», dice la Dra. Valentina D’Odorico del Instituto Italiano de Astrofísica, la Investigadora principal del programa de observación. «Esta es la mayor cantidad de tiempo de observación asignado a un solo proyecto realizado con el espectrógrafo X-shooter.». «Gracias al VLT de 8 m pudimos observar algunos de los cuásares más distantes, que actúan como linternas, iluminando galaxias a lo largo del camino desde el universo primitivo hasta la Tierra».

A medida que la luz de los quásares atraviesa las galaxias en su viaje de 13 000 millones de años por el universo, se absorben algunos fotones, lo que crea patrones distintivos similares a códigos de barras en la luz, que se pueden analizar para determinar la composición química y la temperatura del gas en las galaxias. Esto da una imagen histórica del desarrollo del universo. «Estos ‘’códigos de barras’’ son capturados por detectores en el espectrógrafo X-Shooter del VLT», explica el Dr. Davies. «Este instrumento divide la luz de la galaxia en diferentes longitudes de onda, como al pasar la luz a través de un prisma, lo que nos permite leer los códigos de barras y medir las propiedades de cada galaxia».

El estudio dirigido por la Dra. Davies capturó más códigos de barras de galaxias antiguas que nunca: “Aumentamos de 12 a 42 el número de quásares para los que teníamos datos de alta calidad, lo que finalmente permitió una medición detallada y precisa de la evolución de la densidad del carbono”, dice la Dra. D’Odorico. Este importante avance fue posible gracias al ESO VLT, uno de los telescopios más avanzados de la Tierra y socio estratégico de Australia.

«El estudio proporciona un conjunto de datos heredados que no se mejorará significativamente hasta que los telescopios de clase 30 m entren en funcionamiento a fines de esta década», dice la profesora Emma Ryan-Weber, investigadora principal en el Centro de Excelencia ARC para Astrofísica All Sky en 3 Dimensiones (ASTRO 3D) y segundo autor del estudio. «Los datos de alta calidad de incluso antes en el universo requerirán acceso a telescopios como el Extremely Large Telescope (ELT) ahora en construcción en Chile».

Los astrónomos están utilizando muchos tipos diferentes de datos para construir una historia del universo. «Nuestros resultados son consistentes con estudios recientes que muestran que la cantidad de hidrógeno neutro en el espacio intergaláctico disminuye rápidamente al mismo tiempo», dice la Dra. Davies. «Esta investigación también allana el camino para futuras investigaciones con el Square Kilometre Array (SKA), cuyo objetivo es detectar directamente las emisiones de hidrógeno neutro durante esta fase clave de la historia del universo».

La profesora Ryan-Weber dice que la investigación va al corazón de la misión de ASTRO 3D de comprender la evolución de los elementos, desde el Big Bang hasta la actualidad: «Aborda este objetivo clave: ¿Cómo proliferaron los componentes básicos de la vida, en este caso el carbono, por todo el universo?

«Como humanos, nos esforzamos por entender ‘¿De dónde venimos?’ Es increíble pensar que el código de barras de esos átomos de carbono de 13 mil millones de años se imprimió en fotones en un momento en que […] la Tierra ni siquiera existía. Esos fotones viajaron a través del universo, al VLT, y luego se usaron para desarrollar una imagen de la evolución del universo».

Fuente: Tracing 13 billion years of history by the light of ancient quasars