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La tardía formación de las primeras estrellas

Área: Espacio — sábado, 3 de septiembre de 2016

Según datos de Planck, las primeras estrellas se formaron de forma abundante más tarde de lo que se creía.

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El Universo al cabo de 1 minuto después del Big Bang era muy distinto de lo que es ahora mismo. La ventaja es que podemos reproducir esas condiciones nuestros laboratorios y saber cómo era.

En esa época el Universo consistían en una densa sopa de partículas: electrones, protones, fotones, etc. No había átomos neutros, sino un plasma. Así que los fotones no podían viajar libremente e interaccionaban fácilmente con las partículas presentes.

Pero, como el Universo se expandía, este se iba enfriando poco a poco. Hasta que transcurridos 380.000 años se enfrió lo suficiente como para formar átomos neutros en lo que se conoce como época de recombinación. Entonces, los fotones fueron libres de viajar y el Universo se hizo transparente por primera vez. Son esos fotones los que ahora, corridos hacia el rojo, forman el fondo cósmico de microondas (FCM). Son esos fotones lo que nos describen cómo era el Universo a los 380.000 años de nacer. Pero, además, esos fotones, en su viaje hacia nosotros también han retenido parte de la historia de lo que pasó después.

Una vez el Universo se hizo transparente seguía siendo aburrido, pues no había galaxias, ni estrellas ni planetas. Por no haber, no había ni elementos más pesados que el hidrógeno y el helio.

Al cabo de unos cientos de millones de años se formaron las primeras estrellas y, entonces, emitieron luz que inundó el Cosmos. Esta luz, en parte ultravioleta, reionizó el gas que contenía un Universo ya menos denso. A esta época se le llama época de reionización.

Las observaciones de galaxias distantes y de agujeros negros supermasivos indican que el Universo completó su reionización al cabo de 900 millones de años.

Pero deducir cuándo empezó la reionización (y por tanto la primeras estrellas) no es fácil. Además, los resultados que hablan de detección de luz de las primeras estrellas son un tanto controvertidos a la espera de tener telescopios espaciales que puedan detectar mejor esas estrellas.

Sin embargo, podemos usar un truco. Los fotones del FCM tuvieron que interaccionar un poco con la materia ionizada que había cientos de millones de años tras el Big Bang. Esto se tiene que apreciar como una polarización de los fotones del FCM que se producía cuando chocaban con electrones libres. Así que, analizando las fluctuaciones en la polarización de los fotones del FCM, se puede deducir cuándo se formaban las primeras estrellas.

Los datos de 2003 del telescopio espacial WMAP (que estudió el FCM hace unos años) indicaron al principio que las primeras estrellas se tuvieron que formar muy pronto, quizás al cabo de sólo 200 millones de años. Pero esta estimación fue pronto corregida y se propuso que el Universo casi no estaba reionizado hasta transcurridos 450 millones de años.

Esto exigía que o bien las primera generación abundante de estrellas se formó muy pronto (lo que entraba en contradicción con lo que se puede medir) o bien había otras fuentes exóticas que proporcionaran la radiación para la ionización supuestamente medida. Se sabe que se formaban unas pocas estrellas al cabo de 300 o 400 millones de años, pero estas no eran suficientes para la ionización medida.

Más tarde, en 2015, un análisis de datos del FCM tomados por el telescopio Planck reveló que la reionización se produjo todavía más tarde. Según esto, el Universo alcanzo una ionización del 50% solamente al cabo de 550 millones de años.

Ahora, un nuevo estudio sobre esos y otros datos de Plank indican que la reionización se produjo incluso aun más tarde de lo que se creía. El Universo alcanzo una ionización del 50% al cabo de 700 millones de años. Al parecer, la reionización fue un fenómeno muy rápido, pero se produjo más tarde de lo que se creía. Al cabo de sólo otros 300 millones de años el Universo ya estaba completamente ionizado al 100%.

El nuevo estudio también sostiene que no fueron necesarios otros agentes de reionización y que sólo las estrellas bastaron para lograr el efecto.

Finalmente, el resultado implica que la primera generación de galaxias podrá ser observada con los telescopios que están ya en proyecto, como el telescopio espacial James Webb o los telescopios gigantes en tierra firme.

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Fuentes y referencias:
Artículo original
Ilustración: ESA – C. Carreau.

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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9 Comentarios

  1. lluís:

    Si vemos la luz de las primeras estrellas nos podríamos acercar más al tiempo cero. Esperemos que esos nuevos telescopios puedan aclarar algunas dudas sobre esta cuestión y otras como las del interesante exoplaneta recientemente descubierto y que no está demasiado lejos, en relación con las infinitas distancias cósmicas.

  2. Gerardo:

    Debe haber sido espectacular ver como se enciende la primera estrella en un universo completamente vacio y oscuro

  3. JavierL:

    Una duda referente a lo que comentas Gerardo ¿en qué longitud de onda estaba el FCM para la época en que se formaron las primeras estrellas? ¿En la visible?

  4. Gerardo:

    Pues, ahora que lo mencionas, me imagino que en la visible, pues me quitastes la imagen romantica que tenia de ese momento

  5. Tomás:

    Pienso, Gerardo, que JavierL no te ha quitado esa imagen, pues creo que, antes de las primeras estrellas la longitud de onda no estaría en el tramo de las visibles. Lo imagino así porque, aunque escapasen primero los fotones más energéticos, debieron perder mucha energía para poder huir y debieron quedar ya como microondas. Fueron las estrellas las que aportaron toda la gama de longitudes. Aunque es mi poco fiable opinión que pretende conservar lo poético de tu imagen.
    Un saludo iluminado.

  6. JavierL:

    Muy interesante tu racionamiento tomas, pero si ya hubiera quedado en el microondas ahora lo veríamos en una longitud muy distinta por el corrimiento posterior…

    Fíjate que yo no lo saque por la pérdida de energía del fotón sino por rebobinar en la imaginación el corrimiento al rojo posterior.

    Estuve buscando por internet pero no consigo respuesta

  7. NeoFronteras:

    El fondo cósmico de radiación presenta un espectro de tipo cuerpo negro casi perfecto. Eso significa que hay una amplia gama de frecuencias que son emitidas con una longitud de onda de corte.

    Ahora toda esa radiación es en la gama de la microondas y se corresponde a un temperatura poco de unos 3K. Esto se debe al corrimiento al rojo cosmológico, que ha alargado las longitudes de onda.

    En la época de la recombinación la temperatura era muy alta (3400 K) y la emisión fue en el visible. Por tanto, el Universo de aquel entonces no era oscuro y estaba inundado por la luz un tanto amarillenta.

    Más tarde el Universo se fue expandiendo y la longitud de onda del fondo cósmico se fue alargando. Se considera que el Universo se volvió oscuro (en el visible), cuando el fondo cósmico de radiación alcanzó unos 270K. Ese momento se dio a unos 14 millones de años tras el Big Bang.

    Así que la imagen romántica que imaginaba Gerardo es correcta siempre y cuando nos fijemos sólo en la gama visible del espectro electromagnético. Lo que ocurre es que en esa época no había nadie allí para ver cómo las primeras estrellas llenaban de luz el Universo. Aunque gran parte de la luz que emitían era ultravioleta al ser estrellas muy masivas.

    Otro factor es lo que llamamos “gama visible”, que es algo dependiente de la vida en la Tierra y del Sol que nos ilumina. Otro tipo de vida alrededor de estrellas enanas rojas llamará “visible” principalmente al infrarrojo.

  8. Tomás:

    Muchísimas gracias por la detallada lección, maestro Neo. Supongo que cuando dices “… luz un tanto amarillenta” quieres decir que tenía algún tinte un poco rojizo.

    Otra vez gracias.

  9. NeoFronteras:

    Estimado Tomás:
    Esa luz era similar a la que emite una bombilla halógena. En este artículo de la Wikipedia se puede ver la percepción de color de los humanos según la temperatura de un cuerpo negro:

    https://es.wikipedia.org/wiki/Temperatura_de_color

    Y aquí sobre el propio cuerpo negro:

    https://es.wikipedia.org/wiki/Cuerpo_negro

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