Algunos han llamado al telescopio espacial James Webb de la NASA el "telescopio que se comió la astronomía". Es el telescopio espacial más poderoso jamás construido y una compleja pieza de origami mecánico que ha superado los límites de la ingeniería humana. El 18 de diciembre 2021, después de años de retrasos y miles de millones de dólares en sobrecostos, Está previsto que el telescopio se ponga en órbita y marque el comienzo de la próxima era de la astronomía.

Soy un astrónomo con especialidad en cosmología observacional; he estado estudiando galaxias distantes durante 30 años. Algunas de las preguntas más importantes sin respuesta sobre el universo se relacionan con sus primeros años justo después del Big Bang. ¿Cuándo se formaron las primeras estrellas y galaxias? Cuál vino primero, ¿y por qué? Estoy increíblemente emocionado de que los astrónomos puedan descubrir pronto la historia de cómo comenzaron las galaxias porque James Webb fue construido específicamente para responder estas mismas preguntas.

La 'Edad Media' del universo

Excelente evidencia muestra que el universo comenzó con un evento llamado Big Bang hace 13.8 mil millones de años, que lo dejó en un ultracaliente, estado ultradenso. El universo comenzó a expandirse inmediatamente después del Big Bang, enfriando mientras lo hacía. Un segundo después del Big Bang el universo tenía cien billones de millas de diámetro con una temperatura promedio de unos increíbles 18 mil millones de F (10 mil millones de C). Alrededor de 400, 000 años después del Big Bang, el universo tenía 10 millones de años luz de diámetro y la temperatura se había enfriado a 5, 500 F (3, 000 C). Si alguien hubiera estado allí para verlo en este momento, el universo habría estado brillando de un rojo apagado como una lámpara de calor gigante.

A lo largo de este tiempo el espacio se llenó de una suave sopa de partículas de alta energía, radiación, hidrógeno y helio. No había estructura. A medida que el universo en expansión se hizo más grande y más frío, la sopa se diluyó y todo se volvió negro. Este fue el comienzo de lo que los astrónomos llaman la Edad Media del Universo.

La sopa de la Edad Media no era perfectamente uniforme y debido a la gravedad, pequeñas áreas de gas comenzaron a agruparse y a volverse más densas. El universo liso se volvió abultado y estos pequeños grupos de gas más denso fueron semillas para la eventual formación de estrellas. galaxias y todo lo demás en el universo.

Aunque no había nada que ver la Edad Media fue una fase importante en la evolución del universo.

Buscando la primera luz

La Edad Media terminó cuando la gravedad formó las primeras estrellas y galaxias que finalmente comenzaron a emitir la primera luz. Aunque los astrónomos no saben cuándo ocurrió la primera luz, la mejor suposición es que fue varios cientos de millones de años después del Big Bang. Los astrónomos tampoco saben si las estrellas o las galaxias se formaron primero.

Las teorías actuales basadas en cómo la gravedad forma la estructura en un universo dominado por materia oscura sugieren que los objetos pequeños, como estrellas y cúmulos de estrellas, probablemente se formaron primero y luego se convirtieron en galaxias enanas y luego en galaxias más grandes como la Vía Láctea. Estas primeras estrellas del universo eran objetos extremos en comparación con las estrellas de hoy. Eran un millón de veces más brillantes, pero vivieron vidas muy cortas. Ardían calientes y brillantes y cuando murieron, dejaron agujeros negros de hasta cien veces la masa del Sol, que podría haber actuado como semillas para la formación de galaxias.

A los astrónomos les encantaría estudiar esta fascinante e importante era del universo, pero detectar la primera luz es increíblemente desafiante. Comparado con masivo, galaxias brillantes de hoy, los primeros objetos eran muy pequeños y debido a la constante expansión del universo, ahora están a decenas de miles de millones de años luz de la Tierra. También, las primeras estrellas estaban rodeadas de gas que quedó de su formación y este gas actuaba como niebla que absorbía la mayor parte de la luz. Se necesitaron varios cientos de millones de años para que la radiación eliminara la niebla. Esta luz temprana es muy débil cuando llega a la Tierra.

Pero este no es el único desafío.

A medida que el universo se expande extiende continuamente la longitud de onda de la luz que viaja a través de él. Esto se llama corrimiento al rojo porque cambia la luz de longitudes de onda más cortas, como la luz azul o blanca, a longitudes de onda más largas, como la luz roja o infrarroja. Aunque no es una analogía perfecta, es similar a cómo pasa un automóvil frente a usted, el tono de cualquier sonido que está haciendo desciende notablemente.

Para cuando la luz emitida por una estrella o galaxia temprana hace 13 mil millones de años llega a cualquier telescopio en la Tierra, ha sido estirado por un factor de 10 por la expansión del universo. Llega como luz infrarroja, lo que significa que tiene una longitud de onda más larga que la de la luz roja. Para ver la primera luz tienes que buscar luz infrarroja.

El telescopio como máquina del tiempo

Ingrese al telescopio espacial James Webb.

Los telescopios son como máquinas del tiempo. Si un objeto es 10, 000 años luz de distancia, eso significa que la luz tarda 10, 000 años para llegar a la Tierra. Así que cuanto más lejos en el espacio miran los astrónomos, cuanto más atrás en el tiempo estamos mirando.

Los ingenieros optimizaron James Webb para detectar específicamente la tenue luz infrarroja de las primeras estrellas o galaxias. En comparación con el telescopio espacial Hubble, James Webb tiene un campo de visión 15 veces más amplio en su cámara, recoge seis veces más luz y sus sensores están ajustados para ser más sensibles a la luz infrarroja.

La estrategia consistirá en mirar fijamente una parte del cielo durante mucho tiempo, recolectando tanta luz e información de las galaxias más antiguas y distantes como sea posible. Con estos datos, puede ser posible responder cuándo y cómo terminó la Edad Media, pero hay muchos otros descubrimientos importantes por hacer. Por ejemplo, Desentrañar esta historia también puede ayudar a explicar la naturaleza de la materia oscura, la forma misteriosa de la materia que constituye aproximadamente el 80% de la masa del universo.

James Webb es la misión técnicamente más difícil que jamás haya intentado la NASA. Pero creo que las preguntas científicas que puede ayudar a responder valdrán cada gramo de esfuerzo. Otros astrónomos y yo estamos esperando con entusiasmo que los datos comiencen a regresar en algún momento de 2022.

Este artículo se ha vuelto a publicar de The Conversation con una licencia de Creative Commons. Lea el artículo original.