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Astrofísica

El Universo remoto se ilumina

Es comprobada por primera vez la reionización, el fenómeno que le puso fin al universo opaco

CALTECHEl quásar SDSS 1044-0125, que llevó a los descubrimientosCALTECH

“El fin de la edad de las tinieblas” y “el renacimiento cósmico”. Con esos términos los astrónomos del Instituto de Tecnología de California (Caltech), Estados Unidos, se refirieron a un momento crucial en la historia del universo que lograron observar en 2001. Se trata de la reionización del cosmos – es decir, la formación de la materia en núcleos atómicos positivos y electrones negativos -, un fenómeno sucedido hace cerca de 12 mil millones de años, previsto en modelos teóricos, pero nunca antes comprobado.

El grupo autor de la inédita observación es coordinado por el yugoslavo naturalizado estadounidense George Djorgovski, y cuenta con la participación principal de la brasileña Sandra Castro, que se doctoró en el Instituto Astronómico y Geofísico de la Universidad de São Paulo (IG-USP), realizó su posdoctorado en el Observatorio Nacional de Río de Janeiro (ON) y embarcó rumbo al Caltech en 1999.

“Antes de la reionización, era como si el universo estuviera lleno de una neblina opaca y oscura”, dice Sandra. “Entonces los fuegos se encendieron y se ardieron a través de la neblina, produciendo la luz y la claridad”. Los “fuegos” a los que Castro se refiere, en un lenguaje casi bíblico, son los más antiguos quásares, uno de los cuales, el SDSS 1044-0125, que la investigadora estudió a fondo, llevó al equipo del Caltech a su gran descubrimiento.

Los quásares son objetos cósmicos extraordinarios. Son un poco mayores que el sistema solar, y llegan a brillar 100 veces más que una galaxia. Fueron dichos objetos los que reionizaron la neblina primitiva, volviendo transparente al universo. Esta neblina estaba constituida por hidrógeno neutro, elemento que absorbe luz fácilmente. Con la reionización, los átomos de hidrógeno se desmembraron en protones y electrones, que no retienen a la radiación luminosa. Como resultado de ello, el gas perdió su opacidad y se hizo la luz.

Una pieza fundamental
La existencia de aquel medio denso y neutro, luego reionizado, era una pieza fundamental en el rompecabezas de la evolución del cosmos, que hasta ahora no había sido hallada. La manera de encontrarla consistía en observar el universo en gran profundidad, penetrando épocas cada vez más remotas. “Fue lo que ocurrió con el descubrimiento del quásar SDSS 1044-0125. En el análisis espectroscópico de su radiación, se verificó que la misma había sufrido la absorción característica de un medio denso y neutro. En la franja correspondiente a las frecuencias absorbidas, el gráfico también presentó pequeños picos de emisión, típicos de objetos primordiales en proceso de reionización”, informa Reinaldo Ramos de Carvalho, del Observatorio Nacional, que trabajó con Djorgovski en la observaciónde más de 100 quásares – la mayor colección de dichos objetos ya estudiada – y dirigió el posdoctorado de Sandra Castro.

En el largo viaje desde el SDSS 1044-0125 hasta la Tierra, la luz del quásar atravesó parte de la espesa neblina que rellenaba el cosmos, lo que dejó una marca en el espectro luminoso del objeto: su gráfico indica que la radiación electromagnética disminuye en la franja del ultravioleta, que corresponde a los fotones con energía suficiente para ionizar el hidrógeno atómico. Esto revela que fueron los quásares de la generación del SDSS 1044-0125 los que arrancaron al universo de su edad de las tinieblas y promovieron el renacimiento cósmico.

El mayor telescopio
Considerando la distancia del objeto, el análisis espectroscópico del SDSS 1044-0125 es una proeza que demandó grandes recursos. Para ello, el equipo del Caltech utilizó nada menos que el telescopio más poderoso del mundo: el Keck II, situado en la cima del monte Mauna Kea, en Hawai, dotado de un espejo colector de 10 metros de diámetro. Sandra Castro cuenta: “Observamos ese quásar durante el lapso de un año, totalizando 5 horas y media de exposiciones, y solamente logramos identificar el efecto producido por la reionización después de combinar todas las imágenes obtenidas en una sola”.

Al ser descubierto, el SDSS 1044-0125 era el más antiguo objeto observado hasta entonces. Es difícil determinar la distancia o la edad de un quásar como éste. Lo que se puede hacer, con un equipo de punta persistencia, es calcular el desvío hacia el rojo (redshift) de la radiación electromagnética que éste emite – una consecuencia directa de la expansión del universo.

Sucede que la radiación que viaja por el espacio sigue la métrica del espacio: si éste se expande, la misma se también se expande, de manera tal que llega al observador con una longitud de onda mayor que al ser emitida. En el caso de la luz visible, esto corresponde a un desvío hacia el rojo – la franja de radiación que tiene la mayor longitud de onda -, de allí su nombre: redshift. Decir que un objeto tiene un redshift mayor que otro equivale a afirmar que sus emisiones viajaron por un mayor lapso de tiempo por el espacio, sufriendo más prolongadamente los efectos de la expansión del universo, hasta llegar a la Tierra – y, por tanto, dicho objeto se encuentra a mayor distancia.

El desvío hacia el rojo (representado por z) es, de esta manera, un modo indirecto de cuantificar la distancia – y consecuentemente la edad – de un objeto. Si la luz llega al observador con el doble de la longitud de onda con la que salió del objeto, tiene un redshift igual a 1; si llega con una longitud de onda seis veces mayor, su desvío hacia el rojo es igual a 5 – el valor de z es siempre una unidad menor que el de la longitud de onda final. La radiación del SDSS 1044-0125 presentó un desvío z = 5,73. Existen estructuras aún más atrás, pero los recursos actuales no permiten observarlas, debido al obstáculo interpuesto por la neblina de hidrógeno neutro.

Nace un quásar
La verdadera naturaleza de los quásares es una cuestión no resuelta aún, pero los estudios han avanzado mucho desde que éstos fueron descubiertos, en la década del 60. Actualmente, la mayoría de los investigadores los considera productos del colapso gravitacional de la enorme cantidad de gas y de estrellas que seacumula en el centro de lasgalaxias. Cuando toda esta materia se comprime debido al efecto gravitacional, el resultado es un agujero negro supermasivo – local en donde la fuerza de la gravedad es tan grande que no deja escapar ni siquiera la luz -, con masa equivalente a entre cien y mil millones de soles. Esta entidad inmensa pasa a atraer al gas y a las estrellas de las cercanías, creando una estructura conocida como disco de acreción (aglomeración).

Antes de ser devoradas por el agujero negro, las partículas del disco son violentamente aceleradas en espiral. La fricción entre ellos caliente el disco y produce parte de la extraordinaria radiación del quásar. El resto de la radiación se debe a otro fenómeno. Debido al efecto combinado de la presión de la radiación y del campo magnético, un gran número de partículas es enviado hacia fuera, en un chorro perpendicular al disco, cerca de su borde interno. Ese flujo está constituido por electrones relativísticos, con velocidades muy cercanas a la de la luz, y por una fuerte emisión electromagnética.

El nacimiento de los quásares es posterior al surgimiento de las galaxias, pues la atracción gravitacional necesita como mínimo de quinientos millones de años para acumular en el centro galáctico aquella masa crítica de entre cien y mil millones de soles. Y fue necesaria una cantidad significativa de quásares para que la reionización alcanzara a todo el universo. En orden decreciente de redshifts (desde los eventos más distantes y antiguos hacia los más próximos y recientes), se puede atribuir a las primeras galaxias el redshift 10; a los primeros quásares, entre 10 y 5; y a la reionización, entre 6 y 5 – de acuerdo con lo el equipo del Caltech verificó.

Universo recombinante
Pero el universo se extiende mucho más allá – en distancia y en el pasado. El momento de la formación de la densa neblina que rellenó el cosmos antes de la reionización corresponde al fantástico redshift 1500. Se calcula que eso puede haber sucedido 300 mil años después del Big Bang – el evento que, de acuerdo con el modelo cosmológico dominante, originó el universo, hace cerca de 15 mil millones de años.

El fenómeno de formación de la neblina fue denominado recombinación: en él, una vez que el universo se enfrió, yendo de la temperatura infinita del Big Bang al modesto nivel de 3 mil Kelvin (el cero de la escala Kelvin, o cero absoluto, es igual a -273,16 grados Celsius), los electrones y los fotones, que antes interactuaban intensamente, se separaron. Ése fue el desacople entre la materia y la radiación.

Una vez libres de la acción de los fotones, los electrones pudieron entonces ser capturados por núcleos atómicos simples, componiendo así los primeros átomos. Y esos átomos – básicamente de hidrógeno – formaron la neblina que rellenó el universo en su edad de las tinieblas. La recombinación hizo que la materia, antes totalmente ionizada – constituida por núcleos atómicos positivos y electrones negativos -, se volviera eléctricamente neutra. La neblina dominaría la escena durante quinientos millones de años, hasta que la materia fuera reionizada.

Liberados en el desacople, lo fotones primordiales componen actualmente la radiación cósmica de fondo, un mar de microondas que rellena todo el universo a una temperatura de 2,7 K. Esa radiación es una reliquia de la era de la recombinación, que les proporciona a los estudiosos una fantástica instantánea del universo en aquel momento crucial. Su descubrimiento, en ladécada del 60, suministróun poderoso argumento a favor de la teoría del Big Bang. Ahora, la comprobación por la vía de la reionización llega para reforzar aún más este modelo.

Rivales unidos
Esa comprobación se debe a la sinergia involuntaria entre dos equipos rivales. El primer paso fue dado por el Grupo Sloan, formado por investigadores de la Universidad de Princeton, del Fermilab (Fermi National Accelerator Laboratory, EE.UU.) y de otras instituciones. Reinaldo de Carvalho informa: “Con detectores tipo CCD, veinte veces más eficientes que las antiguas placas fotográficas y capaces de medir el flujo de la fuente emisora en cada pixel de la imagen, ellos están mapeando todo el cielo del Hemisferio Norte en varias longitudes de onda. Y ya han encontrado dos quásares con redshifts en torno a 5,7 – los más distantes y, por lo tanto, lo más antiguos descubiertos hasta el momento”.

Al definir como objetivo a uno de estos quásares – el SDSS 1044-0125, el Grupo Caltech entró en acción. “El Caltech dispone de un 45% del tiempo de operación de los dos mejores telescopios ópticos del mundo, los Keck I y II, de Hawai, frutos de la donación millonaria de un particular a la Universidad de California”, revela Carvalho. Este equipo excepcional le permitió a Sandra y a sus colegas realizar su primoroso trabajo de espectroscopia, que sugiere claramente la reionización.

“Hasta el momento, este evento era una apuesta de los modelos teóricos. Y su comprobación no habría sido posible sin un observatorio como el Keck”, reconoce Sandra. “El universo actual es complicado y lleno de patrones difíciles de entender. Los grandes telescopios nos aproximan a una época en la cual el universo era sencillo. Ellos nos proporcionan una visión acerca de cómo comenzó la materia a organizarse, paso a paso, para formar los miles de millones de galaxias y estrellas que vemos hoy”.

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