Pregúntele a Ethan: ¿Por qué la edad oscura del universo duró tanto?

En el momento del Big Bang, el Universo estaba lleno de materia y radiación, pero no había estrellas en él. Con la expansión y el enfriamiento, se formaron protones y neutrones en la primera fracción de segundo, se formaron núcleos atómicos en los primeros 3-4 minutos y se formaron átomos neutros en los primeros 380,000 años. Después de otros 50-100 millones de años, se formaron las primeras estrellas. Pero el Universo permaneció oscuro, y los observadores, si existieran, no podrían ver nada hasta el momento que ocurrió unos 550 millones de años después del Big Bang. ¿Por qué sucedió esto? Nuestro lector está interesado en:

Lo que me interesa es ¿por qué la Edad Media duró cientos de millones de años? Me pareció que deberían haber durado al menos un orden de magnitud menos.

La formación de estrellas y galaxias es un gran paso para crear luz, pero esto no es suficiente para terminar la Edad Media. Y aquí está el por qué.


El Universo temprano estaba lleno de materia y radiación, y era tan caliente y denso que evitó que aparecieran protones y neutrones estables en la primera fracción de segundo. Después de su aparición y aniquilación de la antimateria, nos encontramos con un mar de materia y radiación en nuestras manos, husmeando aquí y allá a velocidades cercanas a la luz.

Imagina el Universo como fue solo unos minutos después del nacimiento: antes de la formación de átomos neutros. El espacio está lleno de protones, núcleos de luz, electrones, neutrinos y radiación. En esta etapa temprana, suceden tres cosas importantes:

1. El Universo es muy homogéneo con respecto a la cantidad de materia en cualquier lugar, y las áreas más densas difieren en unas pocas centésimas de fracción de densidad de las menos densas.
2. La gravedad une activamente la materia, y en regiones más densas hay una fuerza de atracción adicional.
3. La radiación, en su mayor parte en forma de fotones, empuja la materia, resistiendo la gravedad.

Mientras tengamos radiación suficientemente energética, evita la formación de átomos neutros estables. Solo cuando la expansión del Universo enfría la radiación lo suficientemente fuerte, los átomos neutros dejan de sufrir una reionización inmediata.


En el caliente Universo temprano, antes de la formación de átomos neutros, los fotones se dispersan de los electrones (y, en menor medida, de los protones) a una velocidad muy alta, transfiriendo un pulso en el proceso. Después de la formación de átomos neutros, los fotones simplemente se mueven en línea recta.

Después de eso, 380,000 años después de la aparición del Universo, esta radiación (en su mayor parte fotones) simplemente se propaga libremente en la misma dirección en la que fueron por última vez, a través de la materia ahora neutral. 13.800 millones de años después, observamos este resplandor residual del Big Bang en forma de radiación relicta. Hoy, esto es radiación de microondas de fondo, ya que las longitudes de onda se estiran debido a la expansión del universo. Más importante aún, hay una distribución de fluctuaciones en forma de puntos calientes y fríos, que corresponden a partes más y menos densas del Universo.


Las áreas más densas, la densidad promedio y las áreas menos densas que existían cuando el Universo tenía 380,000 años, corresponden a puntos fríos, medios y calientes de CMB.

Después de la formación de átomos neutros, el colapso gravitacional se vuelve mucho más fácil, ya que los fotones interactúan fácilmente con los electrones libres, pero de manera deficiente con los átomos neutros. Y a medida que los fotones se enfrían a energías cada vez más bajas, la importancia de la materia para el universo aumenta, por lo que comienza el crecimiento gravitacional. La gravedad toma alrededor de 50-100 Ma para juntar una gran cantidad de materia, y el gas toma suficiente para enfriarse para permitir que comience el colapso cuando se forman las primeras estrellas. Después de esto, se lanza la fusión nuclear y aparecen los primeros elementos pesados ​​del universo.


Las estructuras del universo a gran escala aparecen con el tiempo; pequeños defectos crecen y se convierten en las primeras estrellas y galaxias, luego se fusionan, formando grandes y modernas galaxias que observamos hoy. Cuando miramos largas distancias, vemos un universo más joven, similar al pasado de nuestro sitio local.

Pero incluso con estas estrellas, el Universo está en la Edad Media. ¿De quién es la culpa? Debido a todos estos átomos neutros distribuidos por todo el universo. Son del orden de 10 ⁸⁰ , y aunque para los fotones de baja energía que quedan después del Big Bang, esta materia es transparente, para los fotones de alta energía emitidos por las estrellas, es opaca. Es por eso que es imposible ver estrellas en el centro de la galaxia con luz visible, pero a ondas más largas (por ejemplo, infrarrojas), se puede ver directamente a través del gas neutro y el polvo.


Cuatro tipos diferentes de la Vía Láctea en cuatro longitudes de onda diferentes; en la parte superior son largas (submilimétricas), luego infrarrojo lejano, infrarrojo cercano y luz visible. Las estrellas y los caminos de polvo en primer plano nos bloquean el centro de la galaxia en luz visible.

Para que el universo se vuelva transparente a la luz de las estrellas, estos átomos neutros deben estar ionizados. Ya estaban ionizados alguna vez: antes de que el universo tuviera 380,000 años, entonces llamamos al proceso de su reionización reionización . Y solo cuando se forman muchas estrellas y se emiten muchos fotones ultravioletas de alta energía, este proceso de reionización puede completarse y poner fin a la Edad Media. Y aunque las primeras estrellas podrían aparecer ya 50-100 millones de años después del Big Bang, nuestras observaciones detalladas nos muestran que la reionización no termina hasta que el universo tenga 550 millones de años.


Un diagrama de la historia del Universo, que enfatiza la reionización, que realmente sucedió solo después de la formación de las primeras estrellas y galaxias. Antes de esto, el Universo estaba lleno de átomos neutros que bloquean la luz. Aunque la mayor parte del Universo no se sometió a reionización hasta que cumplió 550 millones de años, algunos de los sitios más afortunados se reionizaron antes

¿Cómo sucedió que las primeras galaxias que vemos aparecieron cuando el universo tenía solo 400 millones de años? ¿Y cómo puede el telescopio James Webb mirar aún más al pasado? Dos factores juegan un papel aquí:

1) La reionización no es homogénea. El universo está lleno de bultos, imperfecciones y heterogeneidades. Esto es bueno, permite que se formen estrellas, galaxias, planetas y también personas. Pero también significa que algunas secciones de espacio y dirección en el cielo se reionizaron por completo antes que otras. La galaxia más lejana que conocemos, GN-z11 , es una galaxia brillante y hermosa para una edad tan joven, pero también se encuentra en la dirección en la que el Universo estaba casi completamente ionizado. Coincidió tan exitosamente que esto sucedió 150 millones de años antes de la reionización "promedio".


Solo porque esta galaxia distante GN-z11 se encuentra en una región donde el entorno intergaláctico está mayormente reionizado, Hubble pudo mostrarnos hoy. James Webb irá mucho más lejos.

2) Estos átomos neutros son transparentes para longitudes de onda largas. Aunque en aquellos primeros días el Universo era opaco a la luz visible y ultravioleta, era transparente a las ondas más largas. Por ejemplo, se sabe que los " Pilares de la Creación " son opacos a la luz visible, pero si los mira en infrarrojo, puede ver fácilmente las estrellas dentro de ellos.


A la izquierda, una vista en luz visible, a la derecha, en infrarrojo, en el mismo objeto: Pilares de la creación. Observe cuánto gas y polvo son más transparentes a la radiación infrarroja y cómo esto afecta el fondo y las estrellas internas.

El telescopio James Webb no solo se convirtió en el principal observatorio infrarrojo, sino que fue diseñado específicamente para observar la luz infrarroja cuando era emitida por las primeras estrellas. Estirándose aún más, a longitudes de onda de 30 micras, en el medio del rango infrarrojo, podrá observar objetos que existieron en la Edad Media.


Al estudiar las extensiones en constante expansión del Universo, obtenemos sensibilidad no solo a los objetos más tenues, sino también a aquellos que están "bloqueados" por átomos neutros. Pero con los observatorios infrarrojos también podemos verlos.

El universo ha estado oscuro durante tanto tiempo, ya que los átomos en su interior han sido neutrales durante tanto tiempo. Incluso el 98% del universo reionizado permanece opaco a la luz visible, y la luz de las estrellas tardó aproximadamente 500 millones de años en ionizar completamente todos los átomos y hacer que el universo sea transparente. Al final de la Edad Oscura, podemos ver todo en todas las longitudes de onda de la luz, pero antes de eso tenemos que ser afortunados o tenemos que mirar olas más largas y menos absorbidas.

Decir "que haya luz", después de haber formado estrellas y galaxias, no es suficiente para terminar la Edad Media del Universo. Crear luz es solo la mitad de la batalla; Crear un entorno en el que pueda extenderse hasta los ojos es igual de importante. Para esto necesitamos mucha luz ultravioleta y tiempo. Pero si miras bien, podemos mirar hacia la oscuridad y ver lo que no hemos visto antes. Y en menos de dos años, esta historia comenzará.

Ethan Siegel - astrofísico, divulgador científico, autor de ¡Comienza con un golpe! Escribió los libros "Más allá de la galaxia" [ Más allá de la galaxia ] y "Tracknología: la ciencia de Star Trek" [ Treknology ].