El poderoso telescopio Subaru en Hawai ha encontrado la galaxia más distante jamás vista, ubicada a 12.88 mil millones de años luz de distancia, esto es solo 780 millones de años después del Big Bang. Observar objetos tan distantes es extremadamente difícil, no solo por las grandes distancias involucradas, sino porque gran parte del Universo estaba oculto detrás del hidrógeno neutro. Las estrellas solo entonces comenzaron a limpiar este hidrógeno neutro, haciendo que el Universo sea transparente.
Los astrónomos que usan el telescopio Subaru en Hawai han buscado 60 millones de años más atrás en el tiempo que cualquier otro astrónomo, para encontrar la galaxia más distante conocida en el universo. Al hacerlo, mantienen el récord de Subaru para encontrar las galaxias más lejanas y antiguas conocidas. Su descubrimiento más reciente es de una galaxia llamada I0K-1 que se encuentra tan lejos que los astrónomos la están viendo como apareció hace 12.88 mil millones de años.
Este descubrimiento, basado en observaciones hechas por Masanori Iye del Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ), Kazuaki Ota de la Universidad de Tokio, Nobunari Kashikawa de NAOJ, y otros indican que las galaxias existieron solo 780 millones de años después de que el universo surgió. Hace unos 13.660 millones de años como una sopa caliente de partículas elementales.
Para detectar la luz de esta galaxia, los astrónomos utilizaron la cámara Suprime-Cam del telescopio Subaru equipada con un filtro especial para buscar posibles galaxias distantes. Encontraron 41.533 objetos, y de ellos identificaron dos galaxias candidatas para su posterior estudio utilizando la cámara y el espectrógrafo de objetos débiles (FOCAS) en Subaru. Descubrieron que IOK-1, el más brillante de los dos, tiene un desplazamiento al rojo de 6.964, lo que confirma su distancia de 12.88 mil millones de años luz.
El descubrimiento desafía a los astrónomos a determinar exactamente qué sucedió entre 780 y 840 millones de años después del Big Bang. IOK-1 es una de las dos únicas galaxias en el nuevo estudio que podría pertenecer a esta época distante. Dada la cantidad de galaxias que se han descubierto a partir de 840 millones de años después del Big Bang, el equipo de investigación esperaba encontrar hasta seis galaxias a esta distancia. La rareza comparativa de objetos como IOK-1 significa que el universo debe haber cambiado durante los 60 millones de años que separan las dos épocas.
La interpretación más emocionante de lo que sucedió es que estamos viendo un evento conocido por los astrónomos como la reionización del universo. En este caso, 780 millones de años después del Big Bang, el universo todavía tenía suficiente hidrógeno neutro para bloquear nuestra visión de las galaxias jóvenes al absorber la luz producida por sus estrellas jóvenes y calientes. Sesenta millones de años después, había suficientes estrellas jóvenes y calientes para ionizar el hidrógeno neutro restante, haciendo que el universo sea transparente y permitiéndonos ver sus estrellas.
Otra interpretación de los resultados dice que hubo menos galaxias jóvenes grandes y brillantes 780 millones de años después del Big Bang que 60 millones de años después. En este caso, la mayor parte de la reionización habría tenido lugar antes de hace 12.88 mil millones de años.
No importa qué interpretación finalmente prevalezca, el descubrimiento señala que los astrónomos ahora están excavando luz de la "Edad Oscura" del universo. Esta es la época en que surgieron las primeras generaciones de estrellas y galaxias, y una época que los astrónomos no han podido observar hasta ahora.
INFORMACIÓN DE CONTEXTO:
Arqueología del Universo Temprano utilizando filtros especiales
Las galaxias recién nacidas contienen estrellas con una amplia gama de masas. Las estrellas más pesadas tienen temperaturas más altas y emiten radiación ultravioleta que calienta e ioniza el gas cercano. A medida que el gas se enfría, irradia el exceso de energía para que pueda volver a un estado neutral. En este proceso, el hidrógeno siempre emitirá luz a 121,6 nanómetros, llamada línea Lyman-alfa. Cualquier galaxia con muchas estrellas calientes debería brillar intensamente a esta longitud de onda. Si las estrellas se forman todas a la vez, las estrellas más brillantes podrían producir una emisión de Lyman-alfa durante 10 a 100 millones de años.
Para estudiar galaxias como IOK-1 que existen en los primeros tiempos del universo, los astrónomos deben buscar la luz Lyman-alpha que se estira y se desplaza hacia el rojo a longitudes de onda más largas a medida que el universo se expande. Sin embargo, a longitudes de onda superiores a 700 nanómetros, los astrónomos tienen que lidiar con las emisiones en primer plano de las moléculas de OH en la propia atmósfera de la Tierra que interfieren con las débiles emisiones de objetos distantes.
Para detectar la tenue luz de galaxias distantes, el equipo de investigación había estado observando en longitudes de onda donde la atmósfera de la Tierra no brilla mucho, a través de ventanas de 711, 816 y 921 nanómetros. Estas ventanas corresponden a la emisión de Lyman-alfa desplazada al rojo de las galaxias con desplazamientos al rojo de 4.8, 5.7 y 6.6, respectivamente. Estos números indican cuánto más pequeño era el universo en comparación con ahora, y corresponden a 1,26 billones de años, 1,01 billones de años y 840 millones de años después del Big Bang. Esto es como hacer arqueología del universo primitivo con filtros particulares que permiten a los científicos ver diferentes capas de una excavación.
Para obtener sus nuevos resultados espectaculares, el equipo tuvo que desarrollar un filtro sensible a la luz con longitudes de onda de solo alrededor de 973 nanómetros, que corresponde a la emisión alfa de Lyman con un desplazamiento al rojo de 7.0. Esta longitud de onda está en el límite de los CCD modernos, que pierden sensibilidad en longitudes de onda superiores a 1000 nanómetros. Este filtro de este tipo, llamado NB973, utiliza tecnología de recubrimiento multicapa y tardó más de dos años en desarrollarse. El filtro no solo tenía que pasar luz con longitudes de onda de solo alrededor de 973 nanómetros, sino que también tenía que cubrir uniformemente todo el campo de visión del foco principal del telescopio. El equipo trabajó con una empresa, Asahi Spectra Co.Ltd, para diseñar un filtro prototipo para usar con la cámara de objetos débiles de Subaru, y luego aplicó esa experiencia para hacer el filtro para Suprime-Cam.
Las observaciones
Las observaciones con el filtro NB973 tuvieron lugar durante la primavera de 2005. Después de más de 15 horas de tiempo de exposición, los datos obtenidos alcanzaron una magnitud límite de 24,9. Había 41.533 objetos en esta imagen, pero una comparación con imágenes tomadas en otras longitudes de onda mostró que solo dos de los objetos eran brillantes solo en la imagen NB973. El equipo concluyó que solo esos dos objetos podrían ser galaxias con un desplazamiento al rojo de 7.0. El siguiente paso fue confirmar la identidad de los dos objetos, IOK-1 e IOK-2, y el equipo los observó con la cámara y el espectrógrafo de objetos débiles (FOCAS) en el telescopio Subaru. Después de 8,5 horas de tiempo de exposición, el equipo pudo obtener un espectro de una línea de emisión del más brillante de los dos objetos, IOK-1. Su espectro mostró un perfil asimétrico que es característico de la emisión de Lyman-alfa desde una galaxia distante. La línea de emisión se centró en una longitud de onda de 968.2 nanómetros (desplazamiento al rojo 6.964), correspondiente a una distancia de 12.88 mil millones de años luz y un tiempo de 780 millones de años después del Big Bang.
La identidad de la segunda galaxia candidata
Tres horas de tiempo de observación no arrojaron resultados concluyentes para determinar la naturaleza de IOK-2. Desde entonces, el equipo de investigación ha obtenido más datos que ahora se están analizando. Es posible que IOK-2 sea otra galaxia distante, o podría ser un objeto con brillo variable. Por ejemplo, una galaxia con una supernova o un agujero negro que traga activamente material que parece brillante durante las observaciones con el filtro NB973. (Las observaciones en los otros filtros se hicieron uno o dos años antes).
El campo profundo de Subaru
El telescopio Subaru es particularmente adecuado para la búsqueda de las galaxias más distantes. De todos los telescopios de clase de 8 a 10 metros en el mundo, es el único con la capacidad de montar una cámara con el foco principal. El foco principal, en la parte superior del tubo del telescopio, tiene la ventaja de un amplio campo de visión. Como resultado, Subaru actualmente domina la lista de las galaxias más distantes conocidas. Muchos de estos se encuentran en una región del cielo en la dirección de la constelación Coma Berenices llamada Subaru Deep Field que el equipo de investigación seleccionó para un estudio intenso en muchas longitudes de onda.
La historia temprana del universo y la formación de las primeras galaxias
Para poner este logro de Subaru en contexto, es importante revisar lo que sabemos sobre la historia del universo primitivo. El universo comenzó con el Big Bang, que ocurrió hace unos 13,66 mil millones de años en un caos ardiente de temperatura y presión extremas. En sus primeros tres minutos, el universo infantil se expandió y enfrió rápidamente, produciendo núcleos de elementos ligeros como hidrógeno y helio, pero muy pocos núcleos de elementos más pesados. En 380,000 años, las cosas se habían enfriado a una temperatura de alrededor de 3,000 grados. En ese punto, los electrones y protones podrían combinarse para formar hidrógeno neutro.
Con los electrones ahora unidos a los núcleos atómicos, la luz podría viajar a través del espacio sin ser dispersada por los electrones. De hecho, podemos detectar la luz que impregnaba el universo en ese entonces. Sin embargo, debido al tiempo y la distancia, se ha extendido por un factor de 1,000, llenando el universo con radiación que detectamos como microondas (llamado Fondo Cósmico de Microondas). La sonda espacial Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) estudió esta radiación y sus datos permitieron a los astrónomos calcular la edad del universo en aproximadamente 13.660 millones de años. Además, estos datos implican la existencia de cosas como la materia oscura y la energía oscura aún más enigmática.
Los astrónomos piensan que durante los primeros cientos de millones de años después del Big Bang, el universo continuó enfriándose y que la primera generación de estrellas y galaxias se formó en las regiones más densas de materia y materia oscura. Este período se conoce como la "Edad Media" del universo. Todavía no hay observaciones directas de estos eventos, por lo que los astrónomos están utilizando simulaciones por computadora para unir las predicciones teóricas y la evidencia observacional existente para comprender la formación de las primeras estrellas y galaxias.
Una vez que nacen las estrellas brillantes, su radiación ultravioleta puede ionizar los átomos de hidrógeno cercanos al dividirlos en electrones y protones separados. En algún momento, había suficientes estrellas brillantes para ionizar casi todo el hidrógeno neutro en el universo. Este proceso se llama reionización del universo. La época de la reionización señala el final de la Edad Media del universo. Hoy, la mayor parte del hidrógeno en el espacio entre galaxias está ionizado.
Señalando la época de la reionización
Los astrónomos han estimado que la reionización ocurrió en algún momento entre 290 y 910 millones de años después del nacimiento del universo. Identificar el comienzo y el final de la época de la reionización es uno de los pasos importantes para comprender cómo evoluciona el universo, y es un área de estudio intenso en cosmología y astrofísica.
Parece que a medida que miramos más atrás en el tiempo, las galaxias se vuelven cada vez más raras. El número de galaxias con un desplazamiento al rojo de 7.0 (que corresponde a un tiempo de aproximadamente 780 millones de años después del Big Bang) parece menor que lo que los astrónomos ven a un desplazamiento al rojo de 6.6 (que corresponde a un tiempo de aproximadamente 840 millones de años después del Big Bang) . Dado que el número de galaxias conocidas en un desplazamiento al rojo de 7.0 todavía es pequeño (¡solo una!) Es difícil hacer comparaciones estadísticas sólidas. Sin embargo, es posible que la disminución en el número de galaxias en el desplazamiento al rojo más alto se deba a la presencia de hidrógeno neutro que absorbe la emisión Lyman-alfa de las galaxias en el desplazamiento al rojo más alto. Si la investigación adicional puede confirmar que la densidad numérica de galaxias similares disminuye entre un desplazamiento al rojo de 6.6 y 7.0, podría significar que IOK-1 existió durante la época de la reionización del universo.
Estos resultados se publicarán en la edición de Nature del 14 de septiembre de 2006.
Fuente original: Comunicado de prensa de Subaru
