Gracias a los telescopios más avanzados, los astrónomos de hoy pueden ver cómo se veían los objetos hace 13 mil millones de años, aproximadamente 800 millones de años después del Big Bang. Desafortunadamente, todavía son incapaces de perforar el velo de la Edad Oscura cósmica, un período que duró desde 370, 000 a 1 mil millones de años después del Big Bang, donde el Universo estaba cubierto de hidrógeno neutro que oscurecía la luz. Debido a esto, nuestros telescopios no pueden ver cuándo se formaron las primeras estrellas y galaxias — ca. 100 a 500 millones de años después del Big Bang.

Este período se conoce como el Amanecer Cósmico y representa la "frontera final" de los estudios cosmológicos para los astrónomos. Este noviembre El telescopio espacial James Webb (JWST) de próxima generación de la NASA finalmente se lanzará al espacio. Gracias a su sensibilidad y óptica infrarroja avanzada, Webb será el primer observatorio capaz de presenciar el nacimiento de galaxias. Según un nuevo estudio de la Université de Genève, Suiza, la capacidad de ver el Amanecer Cósmico proporcionará respuestas a los mayores misterios cosmológicos de la actualidad.

La investigación fue dirigida por el Dr. Hamsa Padmanabhan, físico teórico y colaborador científico II en la Université de Genève. También es la investigadora principal de la Swiss National Science Foundation (SNSF) y una receptora de la Beca Ambizione 2017 (financiación de investigación otorgada por la SNSF) para su proyecto independiente, titulado "Sondando el Universo:a través de la reionización y más allá".

Para los astrónomos y cosmólogos de hoy, la capacidad de observar el Amanecer Cósmico representa una oportunidad para responder a los misterios cósmicos más perdurables. Si bien la luz más antigua del Universo todavía es visible hoy en día como el Fondo Cósmico de Microondas (CMB), lo que siguió poco después (y hasta aproximadamente mil millones de años después del Big Bang) ha sido históricamente invisible para nuestros instrumentos más avanzados.

Esto ha mantenido a las mentes científicas en la oscuridad (¡sin juego de palabras!) Sobre varios asuntos cosmológicos importantes. No solo se formaron las primeras estrellas y galaxias durante la "Edad Media, "trayendo luz al Universo gradualmente, también fue en esta época cuando ocurrió la "Reionización Cósmica". Este período de transición es cuando se cree que casi todo el gas neutro que impregnó el Universo se convirtió en protones y electrones (también conocidos como bariones) que componen toda la materia "normal".

Desafortunadamente, los astrónomos no han podido estudiar este período de la historia cósmica. Gran parte del problema proviene de cómo la luz de esta época se ha desplazado al rojo hasta el punto en que es visible en una parte del espectro de radio que es inaccesible para los instrumentos de hoy en día (la línea de transición de 21 cm). Pero como explicó el Dr. Padmanabhan a Universe Today por correo electrónico, esta no es la única barrera para estudiar el Universo temprano:

"Este período nos ha eludido hasta ahora en las observaciones debido al alto nivel de sensibilidad requerido para hacer una detección de la emisión, combinado con el desafío de detectar la señal extremadamente débil (que proviene del gas hidrógeno presente en el Universo temprano) en presencia de emisión en primer plano (principalmente de nuestra propia galaxia) que es aproximadamente 4-5 órdenes de magnitud más grande que la señal que quiero medir ".

Al estudiar las primeras estrellas y galaxias en formación, Los astrónomos podrán ver de dónde provino el 90% de la materia bariónica (también conocida como "luminosa" o "normal") en el Universo y cómo evolucionó hacia las estructuras cósmicas a gran escala que vemos hoy. La capacidad de modelar cómo evolucionó el Universo desde este período hasta hoy también presenta la oportunidad de ver la influencia de la Materia Oscura y la Energía Oscura directamente.

De esto, los científicos evaluarán diferentes modelos cosmológicos, el más aceptado es el modelo Lambda-Cold Dark Matter (LCDM). Dijo el Dr. Padmanabhan:

"El acceso a esta época también representa un gran salto en nuestro contenido de información cosmológica. Esto se debe a que contiene al menos 10, 000–100, 000 veces más información de la que está disponible en la actualidad de todos nuestros estudios de galaxias hasta ahora, así como lo que obtenemos de la radiación de fondo de microondas cósmico (CMB). ¡Es esencialmente el mayor conjunto de datos que podríamos esperar tener para probar nuestros modelos de física! Podemos explorar un conjunto de fascinantes modelos físicos más allá de nuestro modelo estándar de cosmología ".

Estos incluyen modelos que involucran versiones no estándar de Dark Matter (es decir, "Materia oscura cálida"), versiones modificadas de la gravedad, y las teorías de la inflación que no involucran la energía oscura:dinámica newtoniana modificada (MOND). Esencialmente, los científicos podrán ver la gravedad y la expansión cósmica desde el mismo momento en que todo comenzó (unas billonésimas de segundo después del Big Bang). Durante años, la comunidad astronómica ha esperado ansiosamente el día en que el James Webb finalmente se lance al espacio.

Gran parte de su entusiasmo se debe al hecho de que la óptica infrarroja avanzada y la alta sensibilidad del observatorio le permitirán observar las primeras galaxias mientras aún estaban en formación. Ordinariamente, la luz de las galaxias sería oscurecida por todo el polvo y gas interestelar e intergaláctico que se encuentra entre ellas y la Tierra. Junto con los instrumentos existentes y de próxima generación, dice el Dr. Padmanabhan, estas galaxias serán observables por primera vez:

"Misiones como la JWST podrán detectar galaxias extremadamente débiles que se formaron cuando el Universo tenía sólo una décima parte de su tamaño actual. Combinado con estudios de radio como el [Square Kilometer Array] SKA, esto nos proporcionará una imagen completa de las primeras fuentes luminosas y su desarrollo a lo largo del tiempo cósmico. JWST proporciona profundidad, Levantamientos tipo `` haz de lápiz '' cuyo campo de visión total es del orden de varios minutos de arco cuadrados, por lo que no accederá a escalas cosmológicas, pero mejorará significativamente nuestra comprensión de los procesos físicos que contribuyeron a la reionización ".

"ALMA ahora detecta de forma rutinaria galaxias en su emisión de línea submilimétrica, como el carbono ionizado individualmente, [CII] y oxígeno doblemente ionizado, [OIII], ambas son sondas de reionización muy interesantes. El próximo experimento COMAP-Epoch of Reionization, del cual soy parte, planea acceder a la emisión de la línea de monóxido de carbono (CO) alrededor de las etapas media a final de la reionización, que es un excelente trazador de la formación de estrellas. Los primeros planos no son un problema tan serio para las líneas submilimétricas ".

Esto se conoce como el enfoque de mensajería múltiple, donde se combinan señales de luz de diferentes instrumentos y en diferentes longitudes de onda. Cuando se aplica al Amanecer Cósmico, dice el Dr. Padmanabhan, este enfoque es la herramienta más prometedora para obtener información sobre el Universo. Específicamente, la detección de ondas gravitacionales de los primeros agujeros negros supermasivos revelará cómo estas fuerzas primordiales de la naturaleza influyeron en la evolución galáctica.

"Combinando esto con el conocimiento de la forma en que evolucionan el gas y las galaxias que obtenemos mediante estudios electromagnéticos, esto nos proporcionará una imagen completa de Cosmic Dawn, ", dijo." Será crucial para responder una pregunta importante en cosmología y astrofísica:¿cómo se formaron los primeros agujeros negros, y ¿cuál fue su contribución a la reionización? "

El potencial para montar campañas de mensajería múltiple que combinen señales infrarrojas de alta sensibilidad con señales de radio es una de las muchas formas en las que la astronomía está progresando tan rápidamente. Además de instrumentos más sofisticados, Los astrónomos también se beneficiarán de métodos mejorados, técnicas de aprendizaje automático más sofisticadas, y oportunidades de investigación colaborativa.

Por último, si bien no menos importante, la capacidad de combinar señales de diferentes matrices (y en diferentes longitudes de onda de energía electromagnética) ya ha creado nuevas oportunidades para campañas de imágenes sofisticadas. Un buen ejemplo de esto es el proyecto Event Horizon Telescope (EHT), que se basa en 10 radiotelescopios en todo el mundo para recopilar luz de SMBH (como nuestro propio Sagitario A *). En 2019, el EHT tomó la primera imagen de un SMBH; en este caso, el que se encuentra en el núcleo M87 (la galaxia elíptica supergigante Virgo A).

La oportunidad de realizar investigaciones de vanguardia abundará en un futuro próximo, y los descubrimientos que podemos hacer serán nada menos que revolucionarios. Si bien es seguro que habrá algunos contratiempos en el camino y más misterios que resolver, una cosa es segura:¡el futuro de la astronomía será una época muy emocionante!