Burbujas cósmicas revelan las primeras estrellas

Esta versión muestra burbujas ionizadas formadas por tres galaxias en el cúmulo de galaxias EGS77. Crédito: V. Tilvi et al. / Laboratorio Nacional de Investigación de Astronomía Infrarroja Óptica de NSF/ KPNO/AURA.

Astrónomos utilizando el telescopio Mayall en el Observatorio Nacional Kitt Peak en un programa del Laboratorio Nacional de Investigación de Astronomía Infrarroja Óptica del NSF, han identificado varias burbujas superpuestas de gas de hidrógeno ionizado por las estrellas en las primeras galaxias, apenas 680 millones de años después del Big Bang. Esta es la evidencia directa más temprana del período en que la primera generación de estrellas se formó y comenzó a reionizar el gas de hidrógeno que impregnaba el Universo. 

Hubo un período en el Universo muy temprano, conocido como la "edad oscura cósmica", cuando las partículas elementales, formadas en el Big Bang, se combinaron para formar hidrógeno neutro, pero aún no existían estrellas o galaxias para iluminar el Universo. Este período comenzó menos de medio millón de años después del Big Bang y terminó con la formación de las primeras estrellas. Si bien esta etapa en la evolución de nuestro Universo está indicada por simulaciones por computadora, la evidencia directa es escasa. 

Ahora astrónomos han usado el generador de imágenes infrarrojas NEWFIRM en el telescopio Mayall de 4 metros en el Observatorio Nacional Kitt Peak del Laboratorio Nacional de Investigación de Astronomía Infrarroja Óptica (OIR Lab), de NSF y han informado de imágenes de un grupo de galaxias, conocido como EGS77 [1], que contiene estas primeras estrellas Sus resultados se anunciaron en una conferencia de prensa celebrada hoy en la 235ª reunión de la American Astronomical Society (AAS) en Honolulu, Hawai. 

"El joven Universo estaba lleno de átomos de hidrógeno, que atenúan tanto la luz ultravioleta que bloquean nuestra visión de las primeras galaxias", dijo James Rhoads en el Centro Goddard de Vuelos Espaciales de la NASA en Greenbelt, Maryland, quien presentó los hallazgos en la conferencia de prensa de la AAS. "EGS77 es el primer grupo de galaxias atrapado en el acto de despejar esta niebla cósmica". 

El equipo comenzó con un sondeo de imágenes diseñado para detectar galaxias de alto corrimiento al rojo y combinó estos datos con las imágenes correspondientes tomadas por el telescopio espacial Hubble. Esto permitió al equipo calcular lo que se conoce como corrimiento al rojo fotométrico, un indicativo para estimar distancia. En estos desplazamientos al rojo, la luz de una galaxia se desplaza completamente fuera del rango de longitudes de onda a las que el ojo humano es sensible (el espectro visible) a longitudes de onda más largas (infrarrojas). Los criterios para seleccionar candidatos a galaxias distantes incluyeron una detección clara de ellas en los filtros infrarrojos especiales de banda estrecha utilizados con NEWFIRM en el telescopio Mayall de 4 metros y una no detección completa en las bandas de filtro óptico de longitud de onda más corta utilizadas por Hubble. " 

"La luz intensa de las galaxias puede ionizar el gas de hidrógeno circundante, formando burbujas que permiten que la luz de las estrellas viaje libremente", dijo Tilvi. "EGS77 ha formado una gran burbuja que permite que su luz viaje a la Tierra sin mucha atenuación. Eventualmente, burbujas como estas crecieron alrededor de todas las galaxias y llenaron el espacio intergaláctico, despejando el camino para que la luz viaje a través del Universo". 

EGS77 fue descubierto como parte del sondeo Cosmic Deep and Wide Narrowband (Cosmic DAWN), para el cual Rhoads trabaja como investigador principal. El equipo tomó imágenes de un área pequeña en la constelación de Boötes usando un filtro personalizado en el generador de imágenes infrarrojas de campo extremadamente amplio del Observatorio Nacional de Astronomía Óptica (NEWFIRM). Ron Probst, un miembro del equipo DAWN que también ayudó a desarrollar NEWFIRM, agrega: "Estos resultados muestran el valor de mantener instrumentos en nuestros observatorios nacionales que sean poderosos y puedan adaptarse de manera flexible para perseguir nuevas preguntas científicas, preguntas que pueden no haber estado en mente cuando un instrumento fue construido originalmente". 

Una vez identificadas, las distancias y, por lo tanto, las edades de estas galaxias se confirmaron con espectros tomados con el espectrógrafo MOSFIRE en el telescopio Keck I en el Observatorio WM Keck en Maunakea en Hawái. Las tres galaxias muestran fuertes líneas de emisión de hidrógeno Lyman alfa en un desplazamiento al rojo (z = 7.7), lo que significa que las estamos viendo aproximadamente a 680 millones de años después del Big Bang. El tamaño de la burbuja ionizada alrededor de cada uno se derivó del modelado por computadora. Estas burbujas se superponen espacialmente, pero son lo suficientemente grandes (aproximadamente 2,2 millones de años luz) que los fotones alfa de Lyman se desplazan hacia el rojo antes de que alcancen el límite de la burbuja y puedan escapar ilesos, lo que permite a los astrónomos detectarlos. 

"Esperábamos que las burbujas de reionización de esta era en la historia cósmica fueran raras y difíciles de encontrar", dijo Sangeeta Malhotra, colaboradora de la NASA GSFC, "por lo que la confirmación de esta transición es importante". Este "amanecer cósmico", el estado intermedio entre un universo neutral y un ionizado, es algo que se ha predicho. Dichos descubrimientos son posibles gracias a la disponibilidad de poderosos instrumentos astronómicos que pueden explorar el Universo de una manera inimaginable para las generaciones pasadas de astrónomos. 

Notas: [1] EGS, o Extended Groth Strip, es una región fotografiada por HST en 2005; corresponde a una franja estrecha del cielo del ancho de un dedo visto con el brazo extendido. Hay al menos 50.000 galaxias conocidas dentro de la franja. 

Fuente: Asociación de Universidades Para La Investigación en Astronomía (AURA),