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Los astrónomos han descubierto cuándo y cómo se levantó la niebla cósmica.

Anonim

Eche un vistazo a la imagen que se muestra aquí [haga clic para redshiftenate]. Cada objeto que ves es una galaxia, una colección de miles de millones de estrellas. ¿Ves ese golpe justo en el medio, el pequeño punto rojo? La luz que vemos desde esa galaxia viajó durante 12.9 mil millones de años antes de llegar al Very Large Telescope de ESO en Chile. Y cuando los astrónomos analizaron la luz desde ella, y desde un puñado de otras galaxias similares distantes, fueron capaces de precisar el momento de un evento fundamental en el Universo temprano: cuando la niebla cósmica se despejó, y el Universo se volvió transparente.

Este evento se llama reionización, cuando la radiación que emanaba de galaxias muy jóvenes inundó el Universo y eliminó los electrones de sus átomos de hidrógeno. Se dice que un átomo como este está ionizado. Antes de este tiempo, el gas hidrógeno era neutro: cada protón tenía un electrón a su alrededor. Después de esto: zap . Ionizado Este momento para el Universo fue importante porque cambió la forma en que la luz fluía a través del espacio, lo que afecta la forma en que lo vemos. El hallazgo crítico aquí es que la reionización ocurrió hace unos 13 mil millones de años, y tomó menos tiempo de lo que se pensaba, unos 200 millones de años. No solo eso, el culpable de la reionización puede haber sido encontrado: estrellas masivas.

OK, esos son los puntos de bala. Ahora déjame explicarte con un poco más de detalle.


Joven, caliente, densa, y caótica.

Imagina el Universo como era hace 13.7 mil millones de años. Una sopa espesa y densa de materia impregna el espacio, formada en los primeros tres minutos después del Big Bang. El universo también se estaba expandiendo y enfriando: a medida que se hacía más grande, se volvía menos denso, por lo que la temperatura bajaba. Durante este tiempo, los electrones y los protones giraban solos. Cada vez que un electrón intentaría unirse con un protón para formar un átomo de hidrógeno neutro, un fotón de alta energía (una partícula de luz) aparecería y lo soltaría de nuevo.

Durante este período, el Universo era opaco. Los electrones son realmente buenos para absorber fotones, por lo que la luz no llegaría muy lejos antes de ser absorbida por un electrón. Pero con el tiempo, las cosas cambiaron. Todos esos fotones perdieron energía al enfriarse las cosas. Eventualmente, no tenían suficiente energía para evitar que los electrones se combinen con los protones, así que una vez que un electrón se unió con un protón, se unieron. El hidrógeno neutro se volvió estable. Esto sucedió en casi todo el Universo al mismo tiempo, y se llama recombinación . Ocurrió alrededor de 376, 000 años después del Big Bang.

Cuando esto sucedió, el Universo se volvió transparente a la luz visible porque el hidrógeno neutro es realmente malo para absorber el tipo de luz que vemos. Sin embargo, es realmente bueno para absorber la luz ultravioleta, y esa es la clave de nuestra historia. Hasta este punto, no había estrellas, ni galaxias. Pero con el tiempo, cientos de millones de años, el gas y la materia oscura del Universo se amontonaron, atraídos por su gravedad mutua, y comenzaron a formar galaxias y estrellas. Algunas de estas estrellas eran masivas, calientes y brillantes, e inundaron el cielo con luz ultravioleta.

Este UV fue rápidamente absorbido por el hidrógeno neutro en el espacio. Si los fotones UV tuvieran suficiente energía, ¡kablam! Sacaban un electrón de su átomo de hidrógeno, ionizándolo. Durante cientos de millones de años, el universo fue neutral, pero luego esas estrellas molestas se encendieron y comenzaron a ionizarlo de nuevo. Por eso llamamos a esto reionización .

No solo eso, sino que durante todo este tiempo el Universo seguía expandiéndose. A medida que lo hizo, se hizo menos denso, la materia se extendió más delgado en el espacio. Una vez que las estrellas comenzaron a ionizar el hidrógeno, la distancia promedio entre los electrones y los protones se estaba haciendo lo suficientemente grande como para que fuera difícil para ellos recombinarse (y si lo hicieron, llegó otro fotón UV, que emitió un nuevo silbido en el electrón). Entre la inundación de luz UV y la expansión cósmica, el Universo se mantuvo ionizado. Fue un proceso tan eficiente que hoy, 13 mil millones de años después, el Universo todavía está mayormente ionizado. El hidrógeno neutro es bastante raro en comparación con sus hermanos ionizados.


Hace mucho tiempo, en un montón de galaxias muy, muy lejos.

Y ahí es donde entran estos nuevos resultados (PDF). Los astrónomos estudiaron un puñado de galaxias a diferentes distancias. Están tan lejos que la luz que vemos de ellos se emitió alrededor del momento de la reionización. Al observar la cantidad de ultravioleta que vemos en estas galaxias, podemos determinar la cantidad de hidrógeno neutro que pasa (ya que ese gas absorbe la luz, lo que hace que la galaxia parezca más débil) en comparación con el gas ionizado. Estas galaxias estaban todas muy lejos, pero no exactamente a la misma distancia. Recuerde, la luz nos lleva un tiempo, así que podemos estar viendo una galaxia como hace 13 mil millones de años y otra como 12, 9 mil millones de años. ¡Eso hace una gran diferencia! Debido a que estas galaxias estaban a diferentes distancias, permitió a los astrónomos ver cómo era la reionización en diferentes momentos.

Efectivamente, las galaxias más distantes tenían más de su luz UV absorbida que las que estaban más cerca. Lo que descubrieron los astrónomos fue que 780 millones de años después del Big Bang, el Universo fue mayormente neutral, pero solo 200 millones de años más tarde fue mayormente ionizado. En otras palabras, ¡el flujo de radiación UV logró ionizar esencialmente todo el Universo en solo 200 millones de años, más rápido de lo que se había supuesto anteriormente!


Ah, ahora está todo claro para mí.

Piense en eso por un momento. Estamos viendo objetos que están tan lejos que se necesitan enormes telescopios para verlos, a pesar de que están disparando radiación UV a una velocidad que los hace miles de millones de veces más brillantes que el Sol. Estamos mirando a través de todo el Universo para ver cómo era cuando era joven, muy joven, y podemos ver realmente lo que estaba haciendo y entenderlo .

Eso es tan cool.

No solo eso, sino que otro equipo de astrónomos agregó de manera independiente a este hallazgo al resolver otro enigma al respecto. Anteriormente escribí que fueron las estrellas las que reionizaron el Universo, pero en realidad esa no es toda la historia. Los agujeros negros gigantes que engullen la materia son comedores descuidados, y a medida que el material cae, expulsa radiación de alta energía, incluida la radiación UV, también. ¿Cuánto de esa luz UV reionizante era de las estrellas y cuánto de esos grandes agujeros negros?

[Haga clic para galactinar.]

El otro estudio (PDF) observó galaxias cercanas que emiten mucha luz ultravioleta, más de lo normal para galaxias normales, y probablemente fueron más comunes en el Universo temprano. La imagen de arriba es una de esas galaxias, NGC 5253, tal como la ve el telescopio Magellan Baade de 6.5 metros. Descubrieron que estas galaxias están experimentando explosiones de formación estelar, y eso significa muchas estrellas calientes masivas que pueden inundar el espacio con rayos UV. Al calcular la cantidad de estrellas que se forman, la cantidad de UV emitida y la extrapolación del Universo temprano, descubren que las estrellas fueron las principales culpables de reionizar el Universo hace 13 mil millones de años.

Eso es increíble. ¡Las estrellas eran tan abundantes y tan enérgicas incluso hace tanto tiempo que eran capaces de ionizar todo el Universo!


El estudio apropiado del Universo es el Universo.

Una cosa que puede ser confusa (OK, mucho de esto es, pero una cosa que se destaca) es que si el Universo está actualmente ionizado, y los electrones libres son tan buenos para absorber la luz, ¿por qué no es el Universo opaco hoy? ? ¡Es porque el Universo está tan poco extendido! Claro, los electrones absorben la luz, pero hay tan pocos de ellos en el espacio que su fotón aleatorio de una galaxia lejana tiene una muy buena posibilidad de viajar miles de millones de años luz sin acercarse lo suficiente a uno para impactarlo y ser tragado. Es por eso que el Universo es transparente, y nos permite ver casi a través de él.

Por lo tanto, debe tener en cuenta que no solo el hidrógeno neutro es bueno para absorber los rayos UV y malo para la luz visible (y lo contrario cuando está ionizado), sino también lo denso que es. En los viejos tiempos era lo suficientemente grueso como para absorber la luz, pero ahora, aunque está ionizado, es demasiado delgado para absorber la luz de manera eficiente. Eso sucedió casi al mismo tiempo que la reionización, por lo que una vez que el hidrógeno se eliminó, se mantuvo.

Sé que es un poco confuso, pero el universo es un lugar bastante complicado. Es por eso que todavía estamos tratando de resolverlo! Creemos que las reglas a las que obedece, las leyes de la naturaleza, son en realidad relativamente simples y elegantes. Pero hay muchos de ellos, e interactúan de formas complejas. Si no lo hicieran, ¡no estaríamos aquí para estudiarlos! Entonces, realmente, si lo piensas, somos el resultado de las leyes del Universo hechas encarnadas, evolucionadas hasta el punto en que podemos estudiarnos a nosotros mismos.



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