Esta imagen muestra la polarización del fondo cósmico de microondas observada por el telescopio espacial Planck. Una imagen de gran belleza cuyo análisis ofrece información muy relevante sobre el universo en el que vivimos. Por ejemplo, que las primeras estrellas se formaron unos cien millones de años más tarde de lo que se pensaba (cuando el universo tenía unos 550 millones de años, z=9). Un resultado sorprendente que obligará a revisar los modelos de formación de las primeras galaxias.
Más información en “Planck reveals first stars were born late,” ESA, Planck, 05 Feb 2015. Versión de la imagen en alta resolución en JPG y en PNG; animación en GIF.
La radiación de fondo cósmico de microondas nos muestra cómo era el universo cuando tenía 380 000 años. En ese momento se formaron los primeros átomos (los electrones se unieron a los núcleos ligeros) y el universo se volvió transparente para los fotones. Pasó de ser un plasma de electrones y núcleos con carga eléctrica a ser un gas caliente de átomos ligeros (hidrógeno, helio y trazas de otros elementos ligeros).
Los fotones del fondo cósmico de microondas que observamos hoy en día están marcados con su última interacción con los electrones del plasma. Esta interacción a baja energía (dispersión de Thomson) afecta a su polarización lineal (pero no a la circular). En cierto sentido nos muestran una foto del plasma en aquella época (llamada recombinación). Una foto de cómo era el universo que nos sirve para saber cómo llegó a ser así, es decir, cómo evolucionó desde el final de la inflación (recalentamiento) hasta aquel momento. Además, esta foto es la condición de partida para la evolución posterior del contenido del universo. Por ello determina las semillas a partir de las cuales se formaron las grandes estructuras del universo, incluidas las primeras estrellas, las primeras galaxias, los cúmulos galácticos e incluso la web cósmica.
El universo tras la recombinación (formación de los primeros átomos) pasó por una época llamada edad oscura (dark ages) que finalizó cuando el universo tenía unos 550 millones de años. Esta cifra ha sido calculada a partir del mapa de polarización del fondo cósmico de microondas. Usando sólo la intensidad de la luz del fondo cósmico de microondas se estimaba que acabó unos 100 millones de años antes (cuando el universo tenía unos 450 millones de años). Esta diferencia de 100 millones de años supone un cambio importante en las condiciones iniciales para los modelos por ordenador del nacimiento de las primeras galaxias.
El fondo cósmico de microondas corresponde a un desplazamiento al rojo de z=1100. La formación de las primeras estrellas ocurrió cuando el gas de átomos se calentó en ciertas regiones y se ionizó formando un plasma (época de reionización). Se pensaba que este fenómeno ocurrió cuando el desplazamiento al rojo era de 10<z<11. Sin embargo, los nuevos datos de Planck apuntan a que tuvo que ocurrir con z=9. Un resultado sorprendente, pero no inesperado.
Los modelos para la reionización tenían el problema de que las galaxias más antiguas vistas por el telescopio espacial Hubble tienen z=7,5. Explicar la formación de estas galaxias tan tarde cuando las primeras estrellas se formaron con z=10,5 era todo un problema para los modelos teóricos y computacionales. El nuevo resultado de Planck acerca la formación de las primeras estrellas a la formación de las primeras galaxias y resuelve en gran parte el problema.
Un resultado inesperado para los expertos la formación de las primeras galaxias. El futuro telescopio espacial James Webb de la NASA se esperaba que aclarara de forma definitiva esta cuestión. Sin embargo, ahora todo cuadra mucho mejor gracias al estudio de la polarización del fondo cósmico de microondas. Un resultado realmente curioso.
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La Ciencia de la Mula Francis
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