Con la inmensa cantidad de estrellas y galaxias que pueblan el espacio, es muy difícil imaginar lo diferente que era el cosmos hace unos 13,8 millones de años, cuando tan solo contaba con unos segundos de edad.
En esa primera fase, el universo primordial era una sopa caliente y densa de partículas, en su mayoría formada por electrones, protones, neutrinos y fotones; un entorno tan denso que el universo se presentaría como una niebla opaca en donde las partículas de luz apenas podrían viajar una pequeña distancia sin chocar con un electrón.
A medida que el cosmos se fue expandiendo, el universo fue transformándose en un lugar más claro y frío que, tras unos 380.000 años, acabaría convirtiéndose en el universo” transparente” que hoy conocemos, donde las colisiones de partículas son muy esporádicas y los fotones pueden viajar libremente a través del cosmos.
Telescopios que apuntan al pasado
Hoy en día, los telescopios como el Planck de la Agencia Espacial Europea (ESA) pueden observar la luz fósil de aquellos primeros fotones en forma de radiación cósmica de fondo, o radiación de fondo de microondas (CMB). Su distribución en el firmamento revela unas fluctuaciones diminutas que contienen una gran cantidad de información sobre la historia, la composición y la geometría del universo.
La liberación de radiación cósmica de fondo tuvo lugar en el momento en el que los electrones y los protones comenzaron a unirse para formar los primeros átomos de hidrógeno; momento en la historia del cosmos en el que existe por primera vez materia en un estado eléctricamente neutro.
Sin embargo, debieron pasar todavía unos cientos de millones de años para que estos átomos pudieran ensamblarse y dar lugar a la primera generación de estrellas.
A medida que nacieron estas primeras estrellas inundarían sus entornos con la luz que interactuaría posteriormente con los átomos neutros del universo, convirtiéndolos de nuevo en sus partículas constituyentes: electrones y protones. Los científicos se refieren a este periodo como la “época de la reionización”.
Comenzada la época de la reionización, no pasaría mucho tiempo para que la mayoría del material en el universo –a excepción de unos pocos lugares- resultara completamente ionizado, permaneciendo así hasta el momento.
En este sentido el estudio de galaxias muy distantes, las cuales albergan agujeros negros supermasivos en su interior, indican que el universo habría sido completamente ionizado unos 900 millones de años después del Big Bang. El punto de partida de este proceso, sin embargo, es mucho más difícil de determinar y ha sido un tema muy debatido en los últimos años.
Así pues Jan Tauber, científico del proyecto Planck de la ESA explica que: “la radiación cósmica de fondo nos puede dar información sobre cuando comenzó la época de la ionización y a su vez, cuando se formaron las primeras estrellas en el universo”.
Como datar una estrella
Para realizar esta medición, los científicos se basan en el hecho de que una fracción de la CMB se encuentra polarizada, es decir parte de la luz vibra en una dirección preferente a consecuencia de que los fotones de la radiación cósmica de fondo hacen rebotar a los electrones, algo bastante frecuente en universo primordial. Este fenómeno se produciría antes de la liberación de la CMB, y de nuevo más tarde, tras la reionización, cuando la luz de las primeras estrellas significó el retorno de electrones libres en el escenario cósmico.
Según Tauber: “es en las pequeñas fluctuaciones de la polarización del CMB que podemos ver la influencia del proceso de reionización y deducir cuando comenzó”.
La primera estimación del inicio de la época de la reionización llegó en 2003, a partir del WMAP de la NASA (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe por sus siglas en inglés), que sugiere que este proceso podría haber comenzado bastante temprano en la historia cósmica, cuando el universo contaba tan solo con unos 200 de millones de años de edad. Dicho resultado presentaba ciertos problemas, ya que en el momento no se contaba con pruebas de la formación de ninguna estrella, lo que parecería indicar la existencia de otras fuentes causantes la reionización en ese momento.
Esta primera estimación pronto sería corregida, ya que los datos posteriores de WMAP empujaron la hora de inicio a épocas posteriores: el universo no habría sido reionizado significativamente hasta al menos unos 450 millones de años desde el comienzo de su historia.
Aun así el rompecabezas seguiría incompleto. Aunque ya existían estrellas, no quedaba claro si eran la fuente única de reionización del cosmos. Sin embargo en 2015, con base en los mapas del cielo obtenidos con el instrumento de baja frecuencia (LFI), la colaboración de Planck proporcionó nuevos datos para abordar el problema, reubicando la época de la reionización más tarde aún en la historia cósmica, unos 550 años después del Big Bang, momento en el cual el proceso se encontraba en un punto medio.
Ahora en 2016, los datos de otro detector, el Instrumento de Alta Frecuencia (HFI), más sensible a la CMB que ninguno hasta ahora, indican que la reionización comenzó incluso mucho más tarde.
Jean-Loup Puget del Instituto Astrofísica Espacial en Orsay, Francia, investigador principal del HFI de Planck explica en un comunicado de la ESA: “las mediciones altamente sensibles del HFI han demostrado claramente que la reionización fue un proceso muy rápido que comenzó relativamente tarde en la historia del universo y que ya habría reionizado la mitad de este alrededor de los 700 millones de años”. “Los resultados obtenidos nos están ayudando a crear un modelo de los inicios de la época de reionización” añade.
Matthieu Tristram, que colabora con Planck desde el Laboratorio del Acelerador Lineal en Orsay, Francia , confirma además que: “no fueron necesarios otros agentes distintos de las primeras estrellas para reionizar el universo”.
El nuevo estudio sitúa la formación de las primeras estrellas mucho más tarde en la línea de tiempo cósmico, lo que sugiere que la primera generación de galaxias se encuentran dentro del alcance de las futuras instalaciones de observación astronómica, y posiblemente incluso de algunas de las actuales.
De hecho, es probable que algunas de las primeras galaxias que ya han sido detectadas con telescopios como el Hubble serán, al contrario de lo esperado, más fáciles de observar en el futuro gracias la nueva generación de instrumentos que vienen en camino.
