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Las “edades oscuras” del universo fueron más cortas de lo que pensábamos

Las “edades oscuras” del universo fueron más cortas de lo que pensábamos

Nuestro universo, rico en estrellas y galaxias, no siempre fue así.

Esta imagen comparativa muestra la misma región fotografiada por los estudios Hubble Deep Field Maximum (arriba) y JADES (abajo) del JWST, y muestra una selección de muchas galaxias muy distantes presentes en el Universo joven. Cuando observamos el universo a grandes distancias, lo vemos como era en un pasado lejano: más pequeño, más denso, más caliente y menos evolucionado. De regreso a los límites de las capacidades del Telescopio Espacial James Webb, vemos evidencia de estrellas y galaxias por todas partes.

crédito: NASA, ESA, CSA, STScI (JWST); ESA/Hubble, NASA y el equipo HUDF09 (Hubble)

Con el tiempo, la gravedad dio forma a estas estructuras cósmicas desde comienzos casi uniformes.

Vía Láctea galaxias tiempo cósmico

Abundan las galaxias similares a la Vía Láctea actual, pero las galaxias más jóvenes que se parecen a la Vía Láctea son intrínsecamente más pequeñas, más azules, más desordenadas y, en general, más ricas en gas que las galaxias que vemos hoy. En las primeras galaxias de la historia, este efecto llega a un extremo. Como hemos visto antes, las galaxias obedecen estas reglas.

crédito: NASA, ESA, P. van Dokkum (Yale U.), S. Patel (Leiden U.) y el equipo 3-D-HST

Pero antes fuimos testigos de lo que se conoce como la “Edad Oscura”.

Gráfico de reionización para JWST

Hace más de 13 mil millones de años, durante la Época de la Reionización, el universo era un lugar muy diferente. El gas intergaláctico era en gran medida opaco a la luz activa, lo que dificultaba la observación de galaxias emergentes. El Telescopio Espacial James Webb (JWST) está mirando profundamente en el espacio para recopilar más información sobre los objetos que existieron durante la era de la reionización para ayudarnos a comprender este cambio importante en la historia del universo, descubriendo que las galaxias tempranas brillantes eran comunes. La materia neutra entre galaxias no es suficiente para evitar que esta luz llegue a nuestros telescopios.

crédito: NASA, Agencia Espacial Europea, c. Kang (STScI)

Al principio, durante el caliente Big Bang, todo estuvo maravillosamente activo.

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Plasma de quarks y gluones

En las primeras etapas del Big Bang caliente, no había estructuras específicas que pudieran formarse, sólo una “sopa primordial” de partículas de materia, partículas de antimateria y bosones similares a fotones. Este estado caliente, denso y en rápida expansión se enfriará rápidamente.

crédito: Laboratorios Nacionales Brookhaven/RHIC

Sin embargo, a medida que el universo se expandió, se enfrió, lo que provocó que la longitud de onda de cada fotón se expandiera.

Universo en expansión de globos

A medida que el globo se infla, las monedas adheridas a su superficie parecerán alejarse unas de otras, y las monedas “más” retrocederán más rápidamente que las menos distantes. Cualquier luz se desplazará al rojo, ya que su longitud de onda se “estira” a valores más largos a medida que la tela del globo se expande. Esta visión explica poderosamente el corrimiento al rojo cosmológico en el contexto de un universo en expansión. Si el universo se está expandiendo hoy, significa que en el pasado era más pequeño, más caliente y más denso, lo que lleva a la imagen de un Big Bang caliente. También explica por qué todas las cantidades pierden energía cinética a medida que el universo se expande y por qué las longitudes de onda de los fotones se alargan a medida que el universo se expande.

crédito: E. Siegel/Más allá de la galaxia

Cuando se formaron los átomos neutros (380.000 años después) aún no había estrellas.

El plasma del universo primitivo está ionizado

En el cálido universo temprano, antes de que se formaran los átomos neutros, los fotones se dispersaban de los electrones (y en menor medida de los protones) a una velocidad muy alta, transfiriendo impulso mientras lo hacían. Después de que se forman los átomos neutros, debido al enfriamiento del universo por debajo de un cierto umbral crítico, los fotones simplemente viajan en línea recta, afectados sólo en longitud de onda por la expansión del espacio.

Crédito: Amanda Yoho Comienza con una explosión

Sin embargo, la radiación de fondo todavía era lo suficientemente caliente como para poder ver, a unos 3.000 K.

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temperatura del universo

En cualquier época de nuestra historia cósmica, cualquier observador encontrará un “baño” uniforme de radiación multidireccional creado por el Big Bang. Tenga en cuenta que CMB no es sólo una radiación superficial que proviene de un punto, sino más bien un baño de radiación que está presente en todas partes a la vez. Cada año que pasa, el CMB se enfría aún más en aproximadamente 0,2 nanokelvin y, dentro de varios miles de millones de años, se desplazará al rojo hasta el punto de que tendrá radiofrecuencias, no microondas. Cuando se emitió por primera vez, la temperatura era de aproximadamente 3.000 K y no caerá por debajo del umbral de la visión humana hasta que hayan pasado 3,2 millones de años, lo que corresponde a un corrimiento al rojo de unos 290 grados Celsius.

crédito: Tierra: NASA/Tierra Azul; Vía Láctea: ESO/S. Brunier. CMB: NASA/WMAP

Sólo después de unos 3,2 millones de años las temperaturas caerán por debajo del umbral de la visión humana.

Una imagen de una pelota con estrellas.

Al comienzo del Big Bang caliente, el universo se estaba expandiendo rápidamente y estaba lleno de cuantos altamente energéticos, extremadamente densos y altamente relativistas. Una fase temprana de dominio de la radiación dio paso a varias fases posteriores en las que la radiación estuvo bajo control, pero nunca desapareció por completo, mientras que la materia luego se acumulaba en nubes de gas, estrellas, cúmulos de estrellas, galaxias e incluso estructuras más ricas con el tiempo, todo mientras el El universo continúa expandiéndose. El tiempo después de que la radiación restante se desvanece pero antes de que las estrellas se enciendan representa la Edad Oscura cósmica.

crédito: CFA/M. Weiss

Esto pone en marcha el reloj de la era preestelar: la Edad Oscura cósmica.

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Esta imagen muestra un llamativo patrón azul y naranja sobre un fondo negro, lo que lo hace visible en el universo.

Inicialmente, a la izquierda, el universo está lleno de materia neutra que bloquea la luz antes de que se puedan formar estrellas. Cuando las estrellas comienzan a formarse, producen fotones ultravioleta ionizantes, dando lugar a bolsas que se comportan como si fueran transparentes a la luz visible, que se muestran en rojo. Con el tiempo, a medida que nos movemos hacia la derecha, una parte cada vez mayor del universo se reioniza, hasta que la reionización se completa unos 550 millones de años después del Big Bang. Esta era de reionización, a diferencia de ideas anteriores, fue en su mayor parte iluminada, en lugar de ser parte de nuestro verdadero pasado de la “Edad Oscura”.

crédito:Colaboración Thesan

Sin embargo, las primeras estrellas llegaron rápidamente.

La impresión de un artista de un grupo de estrellas.

Ilustración de las primeras estrellas orbitando en el universo. Sin metales para enfriar las acumulaciones de gas que conducen a la formación de las primeras estrellas, sólo las acumulaciones más grandes dentro de una nube masiva se convertirían en estrellas: menos en número pero más masivas que las estrellas actuales. Aunque hay una gran cantidad de material que bloquea la luz, parte de la luz de las estrellas aún puede escapar al universo.

crédito:Equipo científico de la NASA/WMAP

El Telescopio Espacial James Webb nos mostró que desde el principio existieron galaxias grandes, masivas y en evolución.

Esta pequeña porción del área de estudio JADES, tomada con el instrumento NIRCam de JWST, muestra en detalle galaxias relativamente cercanas, galaxias a distancias intermedias que parecen agrupadas e incluso galaxias muy distantes que pueden estar interactuando o formando estrellas, a pesar de su naturaleza débil y rojiza. apariencia. . Apenas hemos comenzado a explorar toda la riqueza del universo con el telescopio espacial James Webb.

crédito: NASA, ESA, CSA, STScI, B. Robertson (UC Santa Cruz), B. Johnson (CfA), S. Tacchella (Cambridge), P. Cargile (CfA)

El más antiguo, JADES-GS-z14-0, aparece sólo 290 millones de años después del Big Bang.

Apareciendo en el contexto del campo JWST JADES, la galaxia JADES-GS-z14-0 no tiene nada de especial, pero acaba de batir el récord de distancia cósmica una vez más, convirtiéndose en la primera galaxia descubierta cuando el universo tenía menos de 300 millones. años: Sólo el 2,1% de su edad actual.

crédito: NASA, ESA, CSA, STScI, B. Robertson (UC Santa Cruz), B. Johnson (CfA), S. Tacchella (Cambridge), P. Cargile (CfA)

La materia circundante, en su mayoría átomos neutros, no es suficiente para bloquear completamente la luz de la estrella.

Regiones de diferente densidad a las simulaciones de materia oscura.

Las áreas que nacen con un exceso de densidad típico o “natural” crecerán hasta tener estructuras ricas, mientras que las áreas “vacías” con menor densidad tendrán menos estructura. Sin embargo, la estructura temprana a pequeña escala está dominada por regiones de alta intensidad máxima (aquí denominadas “pico raro”), que crecen más rápido y solo son visibles en detalle en simulaciones de mayor resolución.

crédito: J. McCaffrey et al., The Open Journal of Astrophysics (Prólogo), 2023

Las simulaciones respaldan muchas galaxias grandes y masivas incluso hace unos 200 millones de años.

Probabilidad de galaxias tempranas versus edad para JWST

Las tres regiones simuladas resaltadas anteriormente, utilizando el conjunto Renaissance, conducen a predicciones sobre cuán masivas son las galaxias en esas tres regiones (líneas naranja, azul y verde). Las cinco galaxias más antiguas detectadas hasta ahora utilizando el telescopio espacial James Webb, con barras de error mostradas, tienen una probabilidad de “1” de ocurrir dentro de las regiones observadas. Si fueran realmente raros, serían más brillantes y masivos, como lo muestran las curvas de probabilidad ~10^-3 y ~10^-6. Tenga en cuenta que incluso al comienzo de la escala en el eje x, alrededor de 150 millones de años, ya hay acumulaciones de materia estelar con una masa de aproximadamente 100.000 masas solares.

crédito: J. McCaffrey et al., The Open Journal of Astrophysics (Prólogo), 2023

Los agujeros negros supermasivos probablemente se formaron, por colapso directo, incluso antes.

Agujero negro gigante

Este extracto de una simulación por supercomputadora muestra poco más de un millón de años de evolución cósmica entre dos corrientes frías de gas convergentes. En este corto período, poco más de 100 millones de años después del Big Bang, grupos de materia crecen hasta convertirse en estrellas individuales, cada una de las cuales contiene decenas de miles de masas solares en las regiones más densas. Esto podría proporcionar las semillas de los agujeros negros más antiguos y masivos del universo, así como las primeras semillas para el crecimiento de estructuras galácticas.

crédito: M. Latif et al., Naturaleza, 2022

Esto sitúa a las estrellas más antiguas en sólo 50 a 100 millones de años en la historia cósmica.

primeras estrellas

Representación artística de cómo podría haber sido una región dentro del universo cuando las estrellas se estaban formando por primera vez. Cuando brillan y se fusionan, se emite radiación, tanto electromagnética como gravitacional. Pero convertir materia en energía produce algo más: provoca un aumento de la presión de radiación que combate la gravedad. La oscuridad rodea la región de formación de estrellas, donde los átomos neutros absorben eficazmente la luz estelar emitida, mientras que la luz estelar ultravioleta emitida ioniza esa materia desde adentro hacia afuera.

crédito: Pablo Carlos Budasi / Wikimedia Commons

Debido a que existe con corrimientos al rojo de 30 o más, es posible que el Telescopio Espacial James Webb no pueda encontrarlo.

Ilustración de las primeras estrellas.

Las primeras estrellas y galaxias del universo estarían rodeadas por átomos (en su mayoría) neutros de gas hidrógeno, que absorbían la luz de las estrellas. Sin metales que las enfríen o irradien energía, sólo los cúmulos de gran masa en regiones de mayor masa pueden formar estrellas. La primera estrella probablemente se formó hace entre 50 y 100 millones de años, según nuestras mejores teorías sobre la formación de estructuras y nuestras mejores observaciones del universo hasta la fecha, que corresponden a un corrimiento al rojo de 30 a 50.

crédito:Nicole Rager Fuller/NSF

Nuestras “edades oscuras” fueron increíblemente cortas.

Reionización

Este diagrama de la historia del universo, que destaca la reionización, se creó antes de que comenzara la era del Telescopio Espacial James Webb en 2022. Antes de que se formaran estrellas o galaxias, el universo estaba lleno de átomos neutros que bloquean la luz, y la mayor parte del universo no había sido completamente reionizado. Hasta 550 millones de años después. Sin embargo, desde entonces hemos aprendido que la “Edad Oscura” había terminado, ya que muchas fuentes de luz estelares y galácticas surgieron y brillaron mucho antes de esa marca: probablemente dentro de los primeros 100 a 200 millones de años, si no. previamente.

crédito: SG Djurjowski y otros, Caltech; Centro de medios digitales de Caltech

Mostly Mute Monday cuenta una historia astronómica con imágenes, elementos visuales y no más de 200 palabras.

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