Cuando todo en el universo cambió

Durante los millones de años que siguieron al big bang, después de que se enfriara la sopa de partículas del universo, el cosmos era un lugar oscuro y aburrido. No había estrellas que hicieran la luz. Ni remolinos de galaxias. Ni planetas. Y todo el universo estaba envuelto en gas hidrógeno neutro.

Entonces, quizás unos 100 millones de años después, todo empezó a cambiar. En los miles de millones de años siguientes, el universo pasó de ser un paisaje anodino y poco impresionante a uno rico y dinámico. Este profundo cambio comenzó cuando se encendieron las primeras estrellas. A medida que ardían, generando calor y forjando nueva materia, su intensa luz comenzó a desgarrar el hidrógeno que impregnaba el universo. Por todas partes, los electrones fueron arrancados de estos átomos, dejando la mayor parte del hidrógeno —el elemento más abundante en el universo— en el estado ionizado en el que permanece hoy.

Este período crucial, en el que todo ese hidrógeno pasó de una forma a otra, se conoce como la época de la reionización. Comenzó con nuestro amanecer cósmico y dio paso a la era moderna con todas sus maravillosas texturas y características. Sirve como telón de fondo de cuando el universo creció.

“Es el último gran cambio que se produce en nuestro universo”, afirma el astrofísico teórico Julián Muñoz, de la Universidad de Texas en Austin. Todo cambió en esos mil millones de años y no ha cambiado mucho en los miles de millones de años posteriores.

Aunque existen modelos que describen cómo pudo producirse esta gran transición, siguen existiendo grandes lagunas. ¿Cuándo se formaron las primeras estrellas y cuándo la luz que escapaba de las galaxias que las albergaban desencadenó la reionización? ¿Qué tipo de galaxias fueron las más responsables de esto y qué papel desempeñaron los agujeros negros? ¿Cómo se produjo la reionización a través del tiempo y del espacio? ¿Qué pistas puede aportar a otros misterios cósmicos, como la naturaleza de la materia oscura?

“No entendemos cómo el universo llegó a ser lo que es hoy”, dice Muñoz.

Algunas respuestas están ahora al alcance de la mano, gracias a las nuevas herramientas que permiten a los científicos echar un vistazo a las profundidades de los primeros mil millones de años del universo. El telescopio espacial James Webb (JWST), que se lanzó en 2021, está observando las galaxias que existían solo cientos de millones de años después del big bang y ya está dando sorpresas. Al mismo tiempo, los radiotelescopios de nueva generación se están enfocando no en las galaxias, sino en el hidrógeno neutro que una vez invadió todo el espacio. Ese hidrógeno proporciona pistas sobre cómo se desarrolló la época de la reionización y otras características del cosmos.

“Las herramientas que podemos utilizar ahora para estudiar esta época de la historia cósmica no se parecen a nada que hayamos tenido antes”, afirma el astrofísico Rob Simcoe, del MIT.

Luz a raudales

Nuestra comprensión actual del desarrollo del universo primitivo es más o menos así: Tras el big bang, hace 13.800 millones de años, el cosmos se expandió y la sopa primordial de partículas subatómicas se enfrió. En el primer segundo se formaron protones y neutrones. En los primeros minutos, se unieron en núcleos atómicos. Unos 380.000 años después, esos núcleos empezaron a capturar electrones para formar los primeros átomos. Este hito, en el que la sopa ionizada se convirtió en átomos neutros, se conoce como recombinación (un término equivocado, ya que núcleos y electrones nunca se habían combinado antes).

Hasta que fueron capturados en átomos, los electrones libres dispersaban la luz como una densa niebla en los faros de un automóvil. Pero con los electrones controlados, los fotones podían salir disparados por el cosmos. Hoy, esas partículas de luz llegan hasta nosotros en forma de un tenue resplandor conocido como fondo cósmico de microondas.

Entonces el universo entró en lo que se conoce como la Edad Oscura. Con hidrógeno y algo de helio en el cosmos, no había nada que pudiera producir luz. Sin embargo, burbujas de materia oscura se dedicaron a atraer gas circundante, y parte de él se condensó lo suficiente como para desencadenar la fusión nuclear. Cien millones de años o más después del big bang, las primeras estrellas se encendieron en nuestro amanecer cósmico. A medida que estas primeras estrellas ardían, su luz ultravioleta ionizante comenzó a escapar de sus galaxias. Esto creó burbujas de hidrógeno ionizado que crecieron hasta fusionarse, llenando finalmente el cosmos.

El JWST está preparado para responder a muchas preguntas sobre las primeras galaxias y cómo su luz impulsó el proceso de reionización. Por el momento, sin embargo, el telescopio está arrojando más preguntas que respuestas. En los primeros tiempos había muchas más galaxias de las que los científicos pensaban, y estas galaxias producían mucha más luz de la necesaria para reionizar el universo.

Las primeras imágenes publicadas por el telescopio estaban repletas de galaxias que databan de menos de 600 millones de años después del big bang. Luego, a finales de 2022, llegó la confirmación de la galaxia más antigua hasta la fecha; existió solo 350 millones de años después del big bang. Ese récord fue superado por el astrofísico Brant Robertson, de la Universidad de California en Santa Cruz, y sus colegas, cuando anunciaron la existencia de una galaxia que data de 290 millones de años después del big bang.

Muchas de estas galaxias son más brillantes y masivas de lo esperado: en 2023, seis galaxias que datan de 700 millones de años después del big bang fueron noticia por lo maduras que ya parecían. A pesar de lo temprano de su época, sus masas estelares rivalizan con las de la Vía Láctea actual, que cuenta con 60.000 millones de masas solares de estrellas.

La teoría estándar no puede explicar tanta formación estelar tan pronto, por lo que estas galaxias fueron apodadas las “rompedoras del universo”.

“Es una auténtica locura”, afirma la astrofísica Erica Nelson, de la Universidad de Colorado en Boulder y coautora del estudio. “Implica un universo primitivo que, o bien es más caótico y con más estallidos de lo que pensábamos, o un universo en el que las cosas pueden evolucionar más rápidamente”.

Los descubrimientos podrían obligar a reexaminar la evolución de las galaxias. Y plantean grandes interrogantes sobre la reionización.

Incluso las galaxias primitivas más débiles detectadas por el JWST producen una gran cantidad de luz reionizante, cuatro veces más de lo esperado, han descubierto el astrofísico Hakim Atek, del Instituto de Astrofísica de París, y sus colegas. A pesar de su escasa luminosidad, hay suficientes de estas galaxias para reionizar el universo casi por sí solas.

Y el JWST también está descubriendo indicios de que los agujeros negros supermasivos se formaron mucho antes de lo que se pensaba en la historia cósmica; las emisiones de alta energía que generan al alimentarse de la materia circundante también habrían contribuido a la reionización.

Con toda esa luz, el universo debería haberse reionizado antes de lo que sabemos, sugieren Muñoz y sus colegas en un artículo de 2024 titulado “Reionización después del JWST: ¿una crisis de presupuesto de fotones?”

En realidad, no es una crisis, dice Muñoz. Las investigaciones existentes han establecido que la reionización terminó 1.100 millones de años después del big bang. Pero la aparente sobreabundancia de luz reionizante es una clara señal de que falta algo en nuestra imagen del universo primitivo. “No conocemos todas las piezas del rompecabezas”, dice.

Buscando pistas en el hidrógeno

Otros esfuerzos esperan rastrear la reionización utilizando radiotelescopios de última generación para ver cuánto hidrógeno neutro existía a lo largo del tiempo en el universo primitivo.

Científicos han sondeado este hidrógeno de otras formas. La dispersión de la luz del fondo cósmico de microondas, por ejemplo, ofrece pistas sobre la cantidad total de reionización desde que se emitió esa luz, unos 380.000 años después del big bang. Los cuásares, los brillantes faros de radiación producidos por agujeros negros masivos que se alimentan, ofrecen otra pista. El hidrógeno neutro absorbe longitudes de onda específicas de la luz de los cuásares en su camino hacia un observador, proporcionando una señal de la presencia del hidrógeno. Pero a medida que nos acercamos a épocas más tempranas, hay menos cuásares.

Así que los científicos pretenden ahora detectar una señal de radio procedente del propio hidrógeno neutro, antes de que se ionizara, remontándose hasta los albores cósmicos e incluso hasta las edades oscuras. Esta señal, conocida como línea de 21 centímetros, se viene detectando desde los años cincuenta y se utiliza ampliamente en astronomía, pero no se había localizado definitivamente desde el universo primitivo.

La señal de radio surge debido a una transición cuántica en el electrón del hidrógeno neutro. La transición, que emite un poco de radiación electromagnética a una longitud de onda de 21 centímetros, no ocurre a menudo. Pero cuando el hidrógeno neutro es abundante, es posible detectarla.

Y la señal puede hacer algo más que rastrear el paradero del hidrógeno neutro. También sirve como una especie de termómetro. Los científicos pueden utilizarla para comprender mejor la temperatura cósmica, incluyendo pistas sobre cuándo se inyecta energía en el medio intergaláctico en forma de luz o calor.

Estas explosiones de energía podrían proceder de las primeras estrellas y de los agujeros negros que las alimentan. O la energía podría indicar algo más exótico: interacciones entre la materia oscura y ella misma, o interacciones desconocidas entre la materia oscura y la materia más familiar. Tales interacciones, señala Muñoz, podrían calentar o enfriar el medio intergaláctico. La línea de 21 cm ofrece una forma de sondear los procesos en juego, incluidos los estimulados por una física inesperada. “Puede proporcionar información que de otro modo no se obtendría”, afirma.

Un telescopio que busca esta huella dactilar es el Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA). Si el JWST es conocido por su complejidad y costo, el HERA es más sencillo. Está “hecho de tubos de PVC, malla metálica y postes de teléfono”, explica el astrofísico Josh Dillon, de la Universidad de California en Berkeley.

HERA consta de 350 antenas de radio repartidas en el 5 % de un kilómetro cuadrado de la provincia sudafricana de Cabo Norte. Aunque el telescopio en sí es de baja tecnología, sus observaciones requieren el procesamiento de señales y el análisis de datos más avanzados disponibles. Esto se debe a que la señal, débil por naturaleza, debe detectarse en medio del ruido radioeléctrico de nuestra galaxia y de otras.

Dillon compara la detección de la señal de 21 cm con escuchar los agudos en un concierto cuando los graves son 100.000 veces más fuertes. “Por eso es que aún no se ha hecho”, afirma.

HERA busca una medida estadística de las fluctuaciones espaciales de la señal de 21 cm. Estas fluctuaciones se deben a variaciones en la distribución del hidrógeno neutro en el cosmos y, por tanto, ofrecen una idea de cómo se distribuyen el gas, las estrellas y las galaxias. Otros equipos, en cambio, pretenden realizar una medición global que capte una señal media en todo el cosmos. Dado que las técnicas difieren, una podría ayudar a verificar la otra.

Ya se ha invocado la materia oscura para explicar una supuesta detección. En 2018, los investigadores del Experimento para Detectar la Firma de la Época Global de Reionización, o EDGES, informaron de la detección de la señal promediada de 21 cm que corresponde al momento en que la luz de las primeras estrellas comenzó a interactuar con el hidrógeno circundante.

La señal es más intensa de lo esperado, lo que sugiere un gas hidrógeno más frío de lo previsto, lo que ha alimentado un gran escepticismo en torno a la afirmación. Algunos investigadores han apuntado a las interacciones entre el gas hidrógeno y la materia oscura como posible explicación, pero tal explicación requeriría una física inesperada.

“Hay muchas teorías fantasiosas”, afirma la cosmóloga observacional Sarah Bosman, de la Universidad de Heidelberg, Alemania. “Tienen que ser fantasiosas”, señala, porque ninguna física ordinaria daría la fuerza que vio EDGES.

Bosman admite ser una de las pocas personas entusiasmadas con la afirmación, que, según ella, ha motivado a los investigadores que trabajan en otros experimentos que podrían confirmarla o refutarla. “Ha dado un gran impulso a este campo”, afirma.

HERA y otros telescopios son los precursores del Square Kilometer Array, que intentará cartografiar la señal de 21 cm en todo el cielo. Este conjunto conectará antenas de radio de Sudáfrica y Australia en el mayor radiotelescopio jamás construido. Aunque aún está en construcción, el telescopio conectó dos de sus estaciones para tomar sus primeros datos en 2024.

Mejores herramientas, conocimientos más profundos

Nadie sabe realmente qué esperar de la señal de 21 cm, señala Bosman. Podría exigir solo pequeños ajustes en la imagen existente de la evolución cósmica, o podría descubrir una nueva física que reescribiera por completo nuestra comprensión. Es demasiado pronto para saberlo.

Pero Dillon dice que la línea de 21 cm podría ofrecer algún día “el mayor conjunto de datos posible”. El objetivo final es sondear el marco temporal que va desde unos 100 millones de años después del big bang hasta mil millones de años después. Ese lapso representa menos del 10 % de la vida total del universo, pero debido a la continua expansión del universo, el marco temporal abarca aproximadamente la mitad del volumen del universo visible.

Los futuros instrumentos ayudarán a llegar hasta el pasado. Existen varias propuestas de nuevos radiotelescopios en el espacio e incluso en la Luna, donde estarían libres de interferencias terrestres. La señal más antigua de 21 cm nos llegaría en longitudes de onda que se reflejan en la ionosfera terrestre, señala Anastasia Fialkov, cosmóloga y astrofísica del Instituto de Astronomía de Cambridge, Inglaterra. Los telescopios espaciales o lunares podrían evitar este problema.

Cualquier indicio de 21 cm se estudiaría junto con las observaciones del JWST de las primeras galaxias, así como con las observaciones de su sucesor, el Telescopio Espacial Nancy Grace Roman, y futuros observatorios terrestres como el Telescopio Extremadamente Grande, una iniciativa europea actualmente en construcción en Chile.

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Los estudios de los cuásares también tienen mucho más que decir, señala Simcoe, del MIT, que escribió con sus colegas sobre los cuásares en el universo primitivo en el Annual Review of Astronomy and Astrophysics de 2023.

Los cuásares son especialmente útiles, dice Simcoe, para identificar “las últimas regiones del universo que aún conservan su gas hidrógeno neutro”. Es en estas bolsas donde deben residir las estrellas y galaxias más jóvenes, o el material que las originó.

Estas primeras estrellas podrían estar produciendo elementos traza diferentes de los que vemos producidos por las estrellas actuales. Si la luz de los cuásares revela esos elementos traza en una antigua nube de gas, es una pista de que estamos llegando a una población antigua —quizá las primeras estrellas—.

“Significará que por fin lo hemos conseguido”, afirma Simcoe. “Y esa es realmente la búsqueda: averiguar cuándo surgió la complejidad en el universo. ¿Cuándo empezó realmente el universo a tener el aspecto que tiene hoy?”

Nadie sabe cuándo lo sabremos, pero Simcoe cree que las herramientas actuales, o quizá las próximas, son capaces: “Estamos llamando a la puerta”.

Artículo traducido por Debbie Ponchner