Estrellas del cúmulo globular Omega Centauri, cuya edad se estima entre 10.000 y 12.000 millones de años. [NASA, ESA, Hubble SM4 ERO]
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Origen y evolución del universo Abr/Jun 2013 Nº 72
A través de una selección de artículos escritos por destacados expertos, este monográfico proporciona un panorama general de los fundamentos de la cosmología moderna, sus principales líneas de investigación y los grandes retos a los que aún debe hacer frente. El contenido se organiza alrededor de tres ejes: huellas del universo primitivo, evolución cósmica a gran escala y cosmologías alternativas.
Una de las grandes preguntas a la que se enfrentan astrofísicos y cosmólogos es la que atañe a la velocidad a la que el universo fue formando estrellas desde sus inicios hasta hoy. Se sabe que las primeras estrellas del cosmos comenzaron a brillar unos cientos de millones de años después de la gran explosión y que, desde entonces, ese proceso ha continuado hasta nuestros días. Sin embargo, la creación de nuevos astros no siempre ocurrió a la misma velocidad ni de la misma forma, y los datos que existen al respecto son mucho más inciertos de lo que desearían los investigadores.
Hasta ahora, la manera de inferir cómo tuvo lugar el proceso de creación de estrellas ha consistido en observar directamente galaxias situadas a diferentes distancias y, por tanto, correspondientes a distintas épocas cósmicas. Pero dichos métodos están limitados por la sensibilidad de los telescopios, los cuales no pueden detectar todas las galaxias ni aquellas más tenues y distantes. Estas, sin embargo, bien pudieron haber contribuido de manera sustancial a la formación de astros, sobre todo en el universo joven.
Ahora, un nuevo trabajo ha logrado reconstruir la historia cósmica de formación de estrellas a partir de un método completamente distinto. En lugar de fijarse en las galaxias en sí, los investigadores de la colaboración Fermi-LAT han optado por lo opuesto: estudiar el inmenso espacio «vacío» que media entre ellas.
Ese espacio extragaláctico se encuentra repleto de un fondo difuso de radiación poco estudiado hasta ahora: la luz que han ido emitiendo todas las galaxias a lo largo de la historia cósmica. Gracias a los datos del telescopio espacial Fermi, el observatorio de rayos gamma de la NASA, los expertos han cuantificado esa luz que llena el espacio extragaláctico y, a partir de ella, han podido inferir la historia de formación estelar del universo desde hace unos 12.000 millones de años hasta hoy. Los resultados se publican en Science.
La luz de todas las galaxias del cosmos
Todas las galaxias arrojan luz hacia el espacio extragaláctico. Una vez emitida, esa radiación no se extingue, sino que continúa vagando para siempre por el universo. Aunque extremadamente diluida como consecuencia de la expansión cósmica, toda esa luz da lugar a un fondo difuso de radiación infrarroja, visible y ultravioleta conocido como «luz de fondo extragaláctica», o EBL, por sus siglas en inglés.
Medir la EBL de forma directa resulta casi imposible, ya que se trata de una radiación muy tenue. Sin embargo, hace ya un tiempo que los astrónomos idearon un método que, en principio, permitiría determinarla: observar los rayos gamma (radiación electromagnética de muy alta energía) procedentes de fuentes muy distantes y estimar cuánto se han atenuado en su viaje hacia la Tierra.
Dicho fenómeno obedece a que la luz de fondo extragaláctica actúa como un «cristal sucio» para los rayos gamma, ya que, debido a la alta energía de estos últimos, sus fotones pueden interaccionar con los de la EBL y convertirse en pares electrón-positrón. Así, al estimar qué cantidad de rayos gamma procedentes de una fuente distante han desparecido en su viaje hacia la Tierra, los investigadores pueden deducir cuánta EBL llena el espacio extragaláctico y cuáles son sus propiedades. Dado que esa luz ha sido emitida por todas las estrellas y galaxias que han existido en el pasado, ello permite inferir la tasa de formación estelar en distintas épocas del cosmos.
Éxito de una disciplina joven
En el nuevo trabajo, la colaboración Fermi-LAT ha analizado740 fuentes de rayos gamma situadas a múltiples distancias y correspondientes por tanto a épocas cósmicas muy distintas. De ellas, 739 eran blázares (galaxias con un agujero negro supermasivo cuyas emisiones de alta energía apuntan directamente hacia la Tierra) y la restante era una explosión de rayos gamma (un tipo de cataclismo cósmico) ocurrida cuando el universo tenía menos de 1500 millones de años de edad. Los datos, complementados por modelos sobre la luminosidad intrínseca de estos objetos, procedían de nueve años de observaciones del telescopio Fermi, que este año celebra su décimo aniversario en órbita.
Aunque en el pasado ya se habían efectuado algunas mediciones similares, nunca antes se habían obtenido resultados tan sólidos y capaces de remontarse tan atrás en la historia cósmica, explica Alberto Domínguez, astrofísico de la Universidad Complutense de Madrid, coordinador del Grupo de Blázares y Núcleos Galácticos Activos de Fermi-LAT y uno de los autores principales del estudio.
El nuevo análisis ha arrojado que, a lo largo de la historia cósmica, la tasa de formación estelar creció primero con rapidez y alcanzó su máximo cuando el universo contaba entre 3000 y 4000 millones de años de edad (la edad del cosmos actual se estima en algo menos de 14.000 millones de años). Desde entonces, el ritmo de formación de estrellas ha ido disminuyendo lentamente hasta llegar a su valor presente.
Dentro de la incertidumbre que revisten los datos, ese resultado concuerda con los obtenidos a partir de los sondeos directos de galaxias. Sin embargo, su importancia va más allá: «Por primera vez estamos viendo de forma clara que la astronomía de altas energías, un campo bastante nuevo, está dando mediciones que solamente hacían los astrónomos «clásicos», digamos, aquellos que trabajan en el óptico, un área mucho más madura», explica Domínguez. «Vemos que la astronomía de altas energías puede ayudar a entender la evolución de las galaxias.»
Por otro lado, el hecho de que los resultados coincidan con los obtenidos en sondeos de galaxias indicaría que estos realmente estaban siendo sensibles a todos los procesos de formación estelar, añade el experto.
Axiones y materia oscura
Por último, el estudio de la absorción de rayos gamma por parte de la EBL abre una puerta hasta ahora inexplorada para detectar nuevos fenómenos físicos. Ello se debe a que, en caso de que la materia oscura o partículas hipotéticas como los axiones pudieran interaccionar con los rayos gamma (una posibilidad contemplada en un amplio elenco de modelos), las tasas de absorción observadas no cuadrarían con las predichas por las teorías tradicionales.
¿Hay alguna señal en los datos del nuevo estudio que apunte a esa posibilidad? «La respuesta es un rotundo no», asegura Domínguez. Por el momento, todos los resultados son perfectamente compatibles con la física estándar. Según el investigador, en un futuro estos estudios permitirán poner límites a fenómenos físicos exóticos, así como explorar otros parámetros cosmológicos y épocas aún más antiguas de la historia cósmica.
Ernesto Lozano Tellechea
Referencia: «A gamma-ray determination of the universe’s star formation history». Colaboración Fermi-LAT en Science, vol. 362, págs. 1031-1034, 30 de noviembre de 2018.
Más información en Science News.
