Así es como el James Webb buscará la explicación al 'hágase la luz'

El Universo lleva 13.800 millones de años expandiéndose. Pero en sus primeros minutos estaba más caliente y era más denso que el núcleo del Sol. Lo sabemos por las abundancias observadas de elementos ligeros, como el deuterio, el helio y el litio, que se cocinaron a partir de una sopa de protones, neutrones y electrones en esos primeros momentos. Las estrellas no pudieron existir tan pronto porque el calor extremo las habría dispersado. ¿Cuándo se formaron las primeras estrellas?

Nuestras raíces físicas comenzaron con las primeras estrellas, pero nuestras raíces biológicas comenzaron con los primeros elementos pesados producidos en el interior de estas estrellas

Los detalles científicos del "Hágase la luz" están en el punto de mira del telescopio Webb. Tuve la suerte de participar en el primer consejo asesor científico que diseñó este telescopio con la motivación principal de obtener imágenes de las primeras estrellas y galaxias. El telescopio se construyó para captar las longitudes de onda infrarrojas de la luz de las estrellas que se habían estirado por un factor de desplazamiento al rojo de 10 a 20 como resultado de la expansión cósmica, ampliando nuestra visión al universo naciente. Esto permitió la "imagen profunda" del cosmos que se dio a conocer en un evento en la Casa Blanca, organizado por el presidente Biden y la vicepresidenta Harris el 11 de julio de 2022. La imagen muestra numerosos arcos rojos alrededor de un cúmulo de galaxias. El administrador de la NASA, Nelson, señaló: "Señor Presidente, estamos mirando hacia atrás más de 13.000 millones de años", una declaración inusual en Washington DC, donde los planes se hacen en una escala de tiempo de cuatro años. La imagen es el resultado de una larga exposición de Webb durante medio día, pero futuras exposiciones podrían durar semanas, sondeando galaxias más débiles a mayores distancias. Por el momento, media docena de nuevos trabajos han informado sobre galaxias con posibles desplazamientos al rojo de hasta 16 en los datos del Webb.

¿Cuándo se formaron las primeras estrellas y galaxias? Este fue el título de un libro de nivel universitario que escribí en 2010, seguido de un libro de texto avanzado dos años después. Basándonos en el modelo cosmológico estándar, esperamos que las primeras estrellas hayan surgido unos cien millones de años después del Big Bang. Se formaron dentro de pequeñas nubes de gas, con una millonésima parte de la masa de la Vía Láctea, que se condensaron a partir de las inhomogeneidades surgidas en el universo primitivo.

Gracias a la velocidad finita de la luz podemos observar cómo era el universo en los primeros tiempos mirando a lo lejos. La primera imagen que tenemos del Universo, muestra la huella de las perturbaciones de densidad iniciales que sembraron las primeras galaxias. La imagen muestra ligeras fluctuaciones de brillo, a un nivel de una parte en cien mil, en el fondo cósmico de microondas. Esta primera instantánea es de 400.000 años después del Big Bang, cuando el universo se enfrió por debajo de unos pocos miles de grados, de modo que los electrones y protones libres estaban lo suficientemente fríos como para formar átomos de hidrógeno. La dispersión por la niebla de electrones libres hizo que el Universo fuera opaco a la luz en épocas anteriores.

Cien millones de años después, las regiones densas se condensaron como resultado de su autogravedad, lo que invirtió su expansión inicial y las colapsó en las primeras galaxias enanas. Desde nuestro punto de vista, estas primeras galaxias son difíciles de observar, no sólo por su gran distancia a nosotros, sino también porque son fuentes de luz más débiles que las galaxias actuales, como la Vía Láctea.

Las primeras galaxias estaban compuestas por materia oscura y una abundancia primordial de hidrógeno y helio, pero casi sin elementos pesados. En estas circunstancias, el gas no pudo enfriarse eficazmente y se fragmentó en estrellas de diez a cientos de veces más masivas que el Sol. Las estrellas más masivas tenían una temperatura superficial del orden de los cien mil grados, emitiendo copiosas cantidades de radiación ultravioleta que rompían el hidrógeno cósmico circundante en sus electrones y protones que lo constituían. Este proceso, llamado reionización, devolvió al hidrógeno cósmico al estado ionizado que lo caracterizaba en los primeros 400.000 años después del Big Bang. Pero como la expansión del universo se multiplicó por unos cien desde entonces, estaba un millón de veces más enrarecido y, por tanto, era transparente. De ahí que el telescopio Webb pueda mirar a través de él para observar las primeras estrellas.

Durante la época de reionización, las burbujas de hidrógeno ionizado crecieron alrededor de las concentraciones de galaxias y acabaron superponiéndose durante mil millones de años para llenar todo el volumen cósmico. Podemos hacer un mapa del crecimiento de estas burbujas utilizando la débil transición del hidrógeno cósmico en ondas de radio con una longitud de onda de 21 centímetros. Varios observatorios de baja frecuencia buscan actualmente la estructura de 'queso suizo' de la radiación de 21 cm desplazada al rojo. Dado que con el tiempo se formaron más estrellas y agujeros negros, el hidrógeno intergaláctico permaneció ionizado hasta la actualidad.

Nuestras raíces físicas comenzaron con las primeras estrellas, pero nuestras raíces biológicas comenzaron con los primeros elementos pesados producidos en el interior de estas estrellas. "La vida, tal y como la conocemos", requiere los componentes básicos de carbono y oxígeno, que el universo primitivo no proporcionó antes de enfriarse por debajo de la temperatura de fusión necesaria.

¿Cuándo se formó la primera vida? El universo habitable es el tema de un artículo de revisión que escribí en 2014 y de mi último libro de texto. La vida podría haber comenzado tan pronto como se formó la segunda generación de estrellas a partir de las cenizas dejadas por las primeras estrellas. Los núcleos de las primeras estrellas masivas eran tan calientes que producían pares de electrones y positrones una vez que consumían su combustible nuclear, y luego explotaban como poderosas "supernovas de inestabilidad de pares", las únicas explosiones que se entendieron completamente desde los primeros principios durante casi seis décadas. Las explosiones arrojaron elementos pesados de las entrañas estelares al espacio interestelar. La primera vida podría haber florecido en la superficie de los planetas que se formaron a partir de estos elementos pesados, menos de mil millones de años después del Big Bang.

Si los seres sensibles hubieran existido entonces, se habrían maravillado ante la aparición y explosión de estrellas brillantes como fuegos artificiales cósmicos, en celebración del nacimiento de la vida en el joven cosmos. El Sol llegó tarde a la fiesta, formándose entre 8.000 y 9.000 millones de años después. Y de los restos que quedaron de la formación del Sol, se condensó una roca que ahora llamamos Tierra, en la que un grupo de personas construyó el telescopio Webb que pudo buscar pruebas de lo que ocurrió antes.

Nunca debemos olvidar que la obra cósmica comenzó mucho antes de que nosotros entráramos en escena. Esto sugiere humildad. La obra cósmica no tiene que ver con nosotros.

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