Al mirar lejos, podemos mirar atrás en el tiempo. Este hecho simple pero alucinante permite a los astrónomos observar instantáneas del universo en diferentes momentos, usándolos para reconstruir la compleja historia de la evolución cósmica. Con cada nuevo telescopio que construimos, podemos ver más lejos y más temprano en la historia del universo. El Telescopio Espacial James Webb (JWST) espera mirar desde cuando se formaron las primeras galaxias.
contenido relacionado
- Conozca al sucesor del Hubble que mirará a través del tiempo
La noción de que mirar hacia afuera corresponde a mirar hacia atrás es relativamente joven. Proviene de la teoría de la relatividad especial de Einstein, que afirma, entre otras cosas, que la luz viaja a la velocidad de la luz y que nada viaja más rápido que eso. Sobre una base diaria, casi nunca experimentamos las consecuencias de este concepto, porque la velocidad de la luz es tan grande (300, 000 km / s, o aproximadamente un millón de veces más rápido que un avión a reacción) que este "tiempo de viaje" apenas importa. Si encendemos la luz o alguien nos envía un correo electrónico desde Europa, percibimos estos eventos (vemos que se enciende la bombilla o recibimos el correo electrónico) como instantáneos, porque la luz tarda solo una pequeña fracción de segundo en viajar a través de un habitación o incluso alrededor de toda la Tierra. Pero a escala astronómica, la finitud de la velocidad de la luz tiene profundas implicaciones.
El sol está a unos 150 millones de kilómetros de distancia, lo que significa que la luz del sol tarda unos 8 minutos y 20 segundos en llegar a nosotros. Cuando miramos al sol, vemos una imagen que tiene 8 minutos. Nuestra galaxia vecina más cercana, Andrómeda, está a unos 2.5 millones de años luz de distancia; cuando miramos a Andrómeda, lo estamos viendo como era hace 2.5 millones de años. Esto puede parecer mucho en escalas de tiempo humanas, pero es un tiempo realmente corto en lo que respecta a las galaxias; nuestra imagen "obsoleta" probablemente sigue siendo una buena representación de cómo se ve Andromeda hoy. Sin embargo, la gran inmensidad del universo asegura que hay muchos casos en los que el tiempo de viaje de la luz es importante. Si miramos una galaxia a mil millones de años luz de distancia, la estamos viendo como era hace mil millones de años, tiempo suficiente para que una galaxia cambie significativamente.
Entonces, ¿qué tan atrás en el tiempo podemos ver? La respuesta a esta pregunta está determinada por tres factores diferentes. Una es el hecho de que el universo tiene "solo" 13.800 millones de años, por lo que no podemos mirar atrás en el tiempo a una época más remota que el comienzo del universo, conocido como el Big Bang. Otro problema, al menos si nos interesan los objetos astrofísicos como las galaxias, es que necesitamos algo para mirar. El universo primordial era una sopa hirviendo de partículas elementales. Tomó algún tiempo para que estas partículas se enfriaran y se unieran en átomos, estrellas y galaxias. Finalmente, incluso una vez que estos objetos estuvieron en su lugar, verlos desde la Tierra muchos miles de millones de años después requiere telescopios extremadamente potentes. El brillo de las fuentes físicas disminuye rápidamente con la distancia, y tratar de detectar una galaxia a una distancia de mil millones de años luz es tan difícil como tratar de detectar el faro de un automóvil a unas 60, 000 millas de distancia. Intentar detectar la misma galaxia a una distancia de 10 mil millones de años luz es 100 veces más difícil.
Hasta ahora, este ha sido el factor determinante para limitar la distancia a las galaxias más lejanas que podemos ver. Hasta la década de 1980, todos nuestros telescopios se basaban en el suelo, donde la atmósfera de la Tierra y la contaminación lumínica dificultan su rendimiento. No obstante, ya sabíamos de galaxias a más de 5 mil millones de años luz de distancia. El lanzamiento del telescopio espacial Hubble en 1990 nos permitió romper este récord de distancia muchas veces y, mientras escribo esto, la galaxia más lejana conocida se encuentra en la asombrosa cifra de 13.400 millones de años en el pasado.
El JWST utilizará luz infrarroja para estudiar cada fase de la historia cósmica, desde los primeros resplandores luminosos después del Big Bang hasta la formación de sistemas estelares capaces de soportar la vida en planetas como la Tierra. (NASA) Esto nos lleva a uno de los temas clave de la astronomía moderna: ¿qué propiedades de estas galaxias lejanas podemos medir realmente? Si bien las observaciones de galaxias cercanas muestran sus formas y colores con gran detalle, a menudo la única información que podemos recopilar sobre las galaxias más distantes es su brillo general. Pero al mirarlos con telescopios que son sensibles a las frecuencias de luz más allá del rango visible, como los rayos ultravioleta, radio e infrarrojos, podemos descubrir pistas sobre las poblaciones estelares de la galaxia, así como sobre su distancia de nosotros.
Al observar las galaxias en tantas frecuencias diferentes como sea posible, podemos crear un espectro que muestre cuán brillante es la galaxia en cada tipo de luz. Debido a que el universo se está expandiendo, las ondas electromagnéticas que detectan nuestros telescopios se han extendido a lo largo del camino, y sucede que la cantidad de estiramiento en los espectros es proporcional a la distancia de la galaxia desde nosotros. Esta relación, llamada Ley de Hubble, nos permite medir qué tan lejos están estas galaxias. Los espectros también pueden revelar otras propiedades, como la cantidad total de masa en las estrellas, la velocidad a la que la galaxia está formando estrellas y la edad de las poblaciones estelares.
Hace solo unos meses, un equipo de astrónomos de EE. UU. Y Europa utilizó observaciones del telescopio espacial Hubble y del telescopio espacial infrarrojo Spitzer para descubrir la galaxia más lejana conocida hasta la fecha, GN-z11. Observado solo 400 millones de años después del Big Bang ("cuando el universo tenía solo el 3 por ciento de su edad actual", según el investigador principal Pascal Oesch) tiene una masa de mil millones de soles combinados, aproximadamente 1/25 del nuestro Vía láctea.
GN-z11 está formando estrellas aproximadamente 20 veces más rápido, a una tasa notable de 25 nuevos soles por año. “Es sorprendente que una galaxia tan masiva existiera solo 200 millones a 300 millones de años después de que las primeras estrellas comenzaron a formarse. Se necesita un crecimiento realmente rápido, produciendo estrellas a una velocidad enorme, para haber formado una galaxia que es un billón de masas solares tan pronto ", explica Garth Illingworth, otro investigador del equipo de descubrimiento.
La existencia de un objeto tan masivo en un momento tan temprano choca con los escenarios actuales de ensamblaje cósmico, lo que plantea nuevos desafíos para los científicos que trabajan en el modelado de la formación y evolución de galaxias. "Este nuevo descubrimiento muestra que el telescopio Webb (JWST) seguramente encontrará muchas de estas galaxias jóvenes que se remontan a cuando se formaron las primeras galaxias", dice Illingworth.
El lanzamiento de JWST está programado para 2018 y orbitará alrededor del sistema Sol / Tierra desde una ubicación especial a 900, 000 millas de nosotros. Al igual que el Hubble, JWST llevará varios instrumentos, incluidas cámaras potentes y espectrógrafos, pero tendrá una sensibilidad mejorada: su espejo primario será casi siete veces más grande, y su rango de frecuencia se extenderá mucho más en la región infrarroja. El diferente rango de frecuencias permitirá a JWST detectar espectros con mayor estiramiento, pertenecientes a objetos más lejanos. También tendrá la capacidad única de tomar espectros de 100 objetos simultáneamente. Con JWST, esperamos llevar la barrera de la distancia aún más lejos, a una época solo 150 millones de años después del Big Bang, y descubrir las primeras galaxias formadas. JWST nos ayudará a comprender cómo cambian las formas de las galaxias con el tiempo y qué factores rigen las interacciones y fusiones de galaxias.
Pero JWST no solo mirará las galaxias. Al observar el universo con luz infrarroja, podremos ver a través de las gruesas cortinas de polvo que envuelven las estrellas y los planetas recién nacidos, proporcionando una ventana a la formación de otros sistemas solares. Además, los instrumentos especiales llamados coronógrafos permitirán obtener imágenes de planetas alrededor de otras estrellas y, con suerte, conducirán al descubrimiento de varios planetas similares a la Tierra capaces de albergar vida. Para cualquiera que alguna vez haya mirado al cielo y se haya preguntado qué hay ahí fuera, la próxima década será un momento muy emocionante.
