Cuando el espacio se volvió transparente

Por qué el universo fue opaco durante los primeros 370 000 años de su existencia.

Un buen pasatiempo nocturno en esta época de distanciamiento social es salir a observar el firmamento nocturno. El lugar ideal es una zona alejada de la contaminación lumínica en la que se puedan apreciar a simple vista miles de estrellas centelleando entre la oscuridad absoluta del cosmos. Pero, curiosamente, el universo no siempre ha sido así: hubo un tiempo en el que el espacio era opaco.

Universo opaco

Todas las evidencias apuntan a que el origen del universo se remonta al Big Bang, un evento que ni fue una «gran explosión» ni implica que «todo surgió de la nada», como a veces se afirma erróneamente. Este modelo simplemente postula que el universo actual partió de un estado en el que tanto la energía como el propio espacio-tiempo estaban comprimidos en un volumen muchísimo menor que el actual.

Hace 13 800 millones de años, el espacio se empezó a expandir. En una fracción de segundo, la temperatura del universo había bajado lo suficiente como para que toda esa energía se empezara a «condensar» en electrones y en unas partículas subatómicas llamadas quarks, que, a su vez, darían lugar a los protones y los neutrones que se agruparían en los primeros núcleos atómicos de hidrógeno y helio.

Apenas habían pasado unos minutos desde que se iniciara la expansión y el espacio estaba inundado por una densa sopa de partículas con carga positiva (núcleos de hidrógeno y helio) y carga negativa (electrones). Este detalle es importante porque, como la luz es una onda electromagnética, las partículas que tienen carga eléctrica son capaces de absorberla. Por tanto, durante esta época el universo era opaco porque ningún rayo de luz podía alejarse demasiado del punto desde el que había sido emitido sin ser absorbido por algún electrón o un núcleo de hidrógeno o de helio.

El universo continuó siendo opaco durante unos 370 000 años. Llegados a este punto, la temperatura había bajado lo suficiente (hasta unos 4 000ºC) como para que los electrones pudieran combinarse con los núcleos atómicos de hidrógeno y helio y convertirse en átomos neutrales que transmitían la luz en lugar de absorberla. El espacio por fin se había vuelto transparente… Aunque la única luz que inundaba el universo en aquella época era la que emitían sus gigantescas nubes de gas incandescente, ya que aún no se habían formado las primeras estrellas.

La reionización

Unos 400 millones de años después del Big Bang, las regiones más densas de esas nubes de gas se empezaron a colapsar y a producir estrellas. Esos primeros astros eran muchísimo más masivos que el Sol y tenían una temperatura superficial mucho más alta, por lo que, además de su intenso brillo en luz visible, emitían cantidades ingentes de radiación ultravioleta.

Este detalle es importante porque la radiación ultravioleta tiene la capacidad de ionizar los átomos con los que entra en contacto, o, lo que es lo mismo, de arrancar alguno de sus electrones. Al perder una de sus cargas negativas, el átomo en conjunto adopta una carga eléctrica positiva y se convierte en un ión. Como resultado, se había teorizado que la primera generación de estrellas masivas y calientes fue la responsable de ionizar los átomos de hidrógeno y helio que están desperdigados por el espacio interestelar.

Este evento se llama reionización, pero, como el tamaño del universo había aumentado muchísimo en aquella época, el gas ionizado estaba tan disperso por el espacio que el universo no se volvió opaco de nuevo. Ahora bien, ¿qué fue de esas estrellas hipotéticas que reionizaron el gas primigenio?

Observando el pasado

Hasta ahora no se han podido observar esas estrellas porque estuvieron envueltas por densas nubes de gas opacas durante el poco tiempo que brillaron. Pero, recientemente, un grupo de investigadores apuntaron el telescopio ultravioleta del satélite indio Astrosat hacia una galaxia llamada AUDFs01. Esta galaxia fue elegida por dos motivos: no sólo está tan lejos que su luz fue emitida poco después de la época de reionización, sino que, además, está repleta de estrellas jóvenes y masivas como resultado de un intenso episodio de formación estelar.

El telescopio ultravioleta del Astrosat ha sido capaz de distinguir la emisión ultravioleta de las estrellas jóvenes y calientes de AUDFs01, por lo que se trata de la primera vez que se detecta este tipo de radiación en una fuente tan lejana. Pero, además, se cree que AUDFs01 está experimentando un episodio de formación estelar con una magnitud análoga a la de las galaxias aún más tempranas cuyas estrellas reionizaron el gas del medio interestelar. Por tanto, el estudio de este tipo de objetos nos ayudará a entender mejor cómo evolucionó el universo temprano.

QUE NO TE LA CUELEN:

  • Además de luz visible, las estrellas emiten otros tipos de radiación electromagnética como la radiación infrarroja o a la ultravioleta. De hecho, cuanto más alta es la temperatura de su superficie, mayor es la fracción de su energía que emiten en forma de luz ultravioleta.

REFERENCIAS (MLA):

  • Kanak Saha et al. “AstroSat detection of Lyman continuum emission from a z=1.42 galaxy”, Nature Astronomy (2020).
  • Anahita Alavi, “Escaping photons finally arrested”. Nature Astronomy (2020).