¿Por qué el universo se ve así? Esta es una de las cuestiones abiertas en astrofísica y física en general. En el transcurso de sus primeros mil millones de años, el universo evolucionó desde una sopa desordenada de partículas de alta energía hasta una colección más organizada de galaxias y estrellas, pero muchos de los detalles de este proceso aún se nos escapan.
En un estudio reciente, un equipo internacional de investigadores analizó observaciones del Telescopio Espacial James Webb, centrándose en galaxias enanas del universo primitivo, y descubrió que estas galaxias emitían luz a una intensidad mucho mayor de lo esperado. Esta investigación representa un gran avance en nuestra comprensión de las primeras fuentes de luz del universo.
Inmediatamente después del Big Bang, el universo experimentó una rápida expansión, alcanzando temperaturas y niveles de energía extremadamente altos: la temperatura media de las partículas en el universo era de unos 10^30 grados Celsius.
Con un calor tan tremendo, las partículas subatómicas no podían unirse entre sí y, por lo tanto, carecían de materia tal como la conocemos hoy. Aproximadamente un segundo después, el universo se enfrió a aproximadamente mil millones de grados y las partículas subatómicas (los componentes básicos de la materia según el modelo estándar de la física de partículas) se crearon, se unieron y formaron protones y neutrones.
Cuando el universo tenía unos veinte minutos, ya se había enfriado a temperaturas de cientos de miles de grados Celsius. Luego los protones y neutrones comenzaron a unirse con iones de hidrógeno, helio y litio.
Debido a la alta temperatura del universo, las partículas retuvieron muy alta energía, por lo que los electrones no pudieron unirse con los protones para formar átomos estables. Como resultado, gran parte del universo existía en estado de plasma, un entorno de partículas cargadas eléctricamente orbitando entre sí. Este plasma bloqueó la radiación electromagnética, impidiendo que la luz se propagara libremente por todo el universo.
Durante los siguientes 370.000 años, el universo continuó enfriándose hasta que su temperatura alcanzó unos 4.000 grados. En este punto, los electrones finalmente pudieron unirse al plasma, creando átomos neutros. Durante esta fase se liberó radiación cósmica de fondo, que proporciona información sobre el universo primitivo. Esta radiación pudo viajar largas distancias hasta nosotros porque no se vio obstaculizada por la presencia de plasma.
En ese momento, cuando el universo tenía unos 400.000 años, estaba formado principalmente por átomos neutros de hidrógeno y helio distribuidos uniformemente por todo el espacio. En el cielo nocturno de hoy no había estrellas, galaxias ni otros cuerpos celestes complejos que nos resulten familiares. En particular, no había fuentes de luz y el universo estaba cubierto de oscuridad.
No fue hasta unos 20 millones de años después, cuando el universo continuó expandiéndose y enfriándose dramáticamente, que se formaron las fuentes de luz más antiguas del universo. Los astrofísicos que estudian la historia del universo aún no están seguros de la naturaleza y el origen de estas fuentes de luz, cuándo fueron creadas y cómo.
Las teorías predominantes sobre las fuentes de luz más antiguas del universo sugieren que pueden ser agujeros negros masivos, galaxias masivas o estrellas jóvenes. Aún no se ha formulado una teoría integral que explique la formación de estrellas y galaxias en el universo primitivo, y los físicos todavía están tratando de comprender cuándo y cómo aparecieron las primeras fuentes de luz en el universo.
Utilizando el telescopio espacial James Webb, lanzado a finales de 2021, los investigadores se propusieron observar galaxias muy distantes. Dado que la luz viaja a una velocidad finita, la luz de galaxias distantes tarda mucho en llegar a nosotros. Los investigadores centraron sus observaciones en la luz que emanaba de las galaxias hace aproximadamente 13 mil millones de años y que ahora llega al telescopio, lo que les permite vislumbrar procesos que ocurrieron en el universo primitivo.
Estas galaxias distantes nos parecen tal como eran hace miles de millones de años, cuando eran galaxias jóvenes que emitían menos luz en comparación con otros cuerpos cósmicos. Por tanto, es difícil observar galaxias tan distantes utilizando métodos convencionales.
Para solucionar esto, los investigadores utilizaron una técnica de vanguardia: basada en la teoría de la relatividad general de Einstein, que proponía que masas pesadas podrían deformar el espacio y doblar el camino de la luz que pasa cerca de ellas.
Los investigadores se centraron en las galaxias ubicadas detrás del enorme cúmulo de galaxias Abell 2744, que, debido a su gran masa, actúa como una lente gravitacional, magnificando y enfocando la luz que viene detrás de él. Esto permitió a los investigadores aumentar la cantidad de luz que llega al telescopio, facilitando observaciones más precisas.
Los investigadores analizaron la luz proveniente de galaxias enanas, que son galaxias que contienen sólo alrededor de mil millones de estrellas. En comparación, la Vía Láctea en la que vivimos contiene cientos de miles de millones de estrellas. Los investigadores analizaron cuidadosamente las observaciones y descubrieron que estas galaxias enanas emiten radiación cuatro veces más fuerte de lo que se estimaba anteriormente.
Además, estas galaxias enanas eran más comunes en el universo primitivo que las galaxias más grandes. Como resultado, los investigadores esperan que la mayoría de las primeras fuentes de luz del universo fueran galaxias de este tipo.
Este estudio es otro ejemplo del logro científico logrado con la ayuda del Telescopio Espacial James Webb. Si bien los resultados son dignos de mención, los investigadores subrayan la necesidad de realizar más estudios, incluidas observaciones de una muestra más amplia de galaxias, para fortalecer la validez de sus conclusiones.
