En las miles de brillantes galaxias presentes en muchas de las fotos del cosmos lejano tomadas por el Telescopio Espacial Hubble, hay espacios oscuros: prometedoras áreas que pudieran estar repletas de más galaxias, si tan solo pudiéramos verlas. Ahora, astrónomos han mirado nuevamente hacia estas zonas vacías y han observado una débil luz emitida por estrellas que se formaron tan solo 500 millones de años después del Big Bang. Los nuevos resultados sugieren que esta luz viene de algunas de las primeras galaxias que se formaron, las cuales podrían ser diez veces más numerosas de lo que se pensaba.

Es posible que esta llamada “luz de fondo extragaláctico” date de aproximadamente tan solo 250 millones de años después del Big Bang. Poco después del nacimiento del universo, el espacio se llenó de una niebla caliente y densa de gas ionizado. Pero tras cientos de miles de años, el gas se expandió y se enfrió, permitiendo el colapso de nubes gigantes de hidrógeno y helio, formando así las primeras estrellas. Desde que estas estrellas se encendieron, su luz —y toda la luz de sucesivas generaciones de estrellas— ha estado llenando el universo, creando un resplandor generalizado a través de los puntos más oscuros del espacio.

Aunque la radiación de fondo extragaláctico ha probado ser difícil de detectar, la luz vista en las fotos del Hubble parece ser la más distante observada hasta ahora. Usando datos recopilados por un instrumento conocido como CANDELS (siglas en inglés para Cosmic Assembly Near-infrared Deep Extragalactic Legacy Survey) y de otro llamado GOODS (Great Observatories Origins Deep Survey) el equipo fue capaz de separar la luz de las estrellas y galaxias más recientes, aislando la contribución proveniente de las primeras estrellas.

Para medir la tan elusiva primera luz, el estudiante de posgrado Ketron Mitchell-Wynne, de la Universidad de California, en Irvine, y sus colegas, buscaron fluctuaciones en la intensidad en los píxeles aparentemente oscuros y vacíos en las fotos tomadas por el Hubble entre 2002 y 2012. Las fluctuaciones les ayudó a determinar estadísticamente que lo que estaban observando era una señal débil asociada con las primeras estrellas y no un simple ruido. Luego extrajeron las luces añadidas por cualquier estrella dentro de nuestra galaxia, luz añadida por las galaxias cercanas, e incluso la luz añadida por estrellas solitarias que se han separado de sus galaxias huésped y que ahora ocupa un espacio entre galaxias, hasta que finalmente obtuvieron la luz del universo temprano.

Las tres imágenes muestran los diferentes componentes de la radiación de fondo extragaláctico detectada con el Telescopio Espacial Hubble.
Crédito de la imagen: Ketron Mitchell-Wynne, UC Irvine

“Es un verdadero esfuerzo heroico ubicar esta señal”, dijo Pascal Oesch, de la Universidad de Yale, quien no estuvo involucrado en el estudio.

El equipo ha calculado que hay tan solo un 0,8% de probabilidades de que su medición esté contaminada con luz que no provenga del fondo. Para comenzar, las estrellas antiguas que contribuyen a la luz de fondo parecen lucir radicalmente diferentes a las estrellas que observamos hoy. Creadas por tan solo hidrógeno y helio, eran cientos de veces más masivas que el Sol y por lo tanto brillaban con más intensidad y morían más rápido que las estrellas del universo cercano. “Quizás hubo un flash cuando estas estrellas y galaxias se formaron y luego se quemaron muy rápidamente”, dice el coautor del estudio Matthew Ashby, de Centro Harvard-Smithsoniano para la Astrofísica. “Si podemos fraccionar esa luz de fondo extragaláctico, deberíamos ver el eco de ese flash”.

Esencialmente, el equipo halló ese eco, pero solo pueden determinar que ocurrió en algún momento de los primeros 500 millones de años, algo que los astrónomos ya sabían. Ahora quieren ubicar el momento con más precisión porque estas estrellas masivas tempranas cambiaron dramáticamente el destino del universo. Sus rayos ultravioleta calentaron el espacio a su alrededor, esculpiendo burbujas en el gas en donde la energía de los rayos había despojado a todos los átomos de hidrógeno de sus electrones, transformándolos de átomos neutros a iones. Eventualmente, las burbujas crecieron y se juntaron hasta que el universo entero fue ionizado de nuevo, haciéndolo lucir como después del Big Bang. Desde entonces, el universo ha permanecido ionizado.

Aunque los astrónomos están bastante convencidos de que las estrellas de las primeras galaxias produjeron suficiente luz como para ionizar nuevamente el universo, Dan Coe, un astrónomo del Instituto Científico del Telescopio Espacial, que no estuvo involucrado en la investigación, examina la era de la reionización, en el caso improbable de que las galaxias no sean el factor principal.

“Si encontramos que las galaxias no eran suficiente para llevar a cabo la reionización, entonces tendríamos que encontrar alguna otra explicación, y podría ser una explicación realmente interesante”, dice Coe. Después de todo, hace 20 años, los astrónomos pensaban que los núcleos galácticos activos —faros brillantes creados por agujeros negros supermasivos que tragan material a mucha velocidad— producían suficiente luz para reionizar el universo. Esa teoría no dio resultado, y los astrónomos siguieron hacia adelante con su siguiente mejor suposición: galaxias. El escenario podría repetirse, dice Coe, y quizás esta vez sea algo realmente exótico, como partículas de materia oscura. Tal vez cuando estas poco entendidas partículas colisionan, liberan energía y esa energía es suficiente para reionizar el universo. Sin embargo, Coe es cuidadoso al decir que todas las líneas de evidencia aún apuntan hacia las galaxias.

Más pistas llegarán cuando el Telescopio Espacial James Webb sea lanzado en 2018. Ciertamente, la fuerza de la recién detectada luz de fondo extragaláctico demuestra que el futuro observatorio debería poder ver algunas de las primeras galaxias que actualmente merodean en esas tentadoras zonas oscuras del espacio.