Encendiendo la luz de la reionización

• Título: Binary Stars Can Provide the “Missing Photons” Needed for Reionization
• Autores: Xiangcheng Ma, Philip F. Hopkins, Daniel Kasen, Eliot Quataert, Claude-Andre Faucher-Giguere, Dusan Keres, Norman Murray
• Institución del primer autor: California Institute of Technology
• Estado: Enviado a MNRAS Letters
• Astrobite original: Brilliant Binaries: Explaining Reionisation, por Christopher Lovell.

Luego del Big Bang, el Universo era un lugar muy oscuro, lleno de gas pero sin estrellas. Aún después de que surgieran las primeras estrellas y galaxias, cuando el Universo tenía un par de cientos de millones de años, te hubiese sido muy difícil poder discernir algo. Esto se debe a que la mayor parte del gas que llenaba el Universo en esta época era hidrógeno neutro. El hidrógeno en estado neutro absorbe la luz de las estrellas, sin dejarla escapar. Sin embargo, esta absorción ioniza al hidrógeno. Una vez ionizado, el hidrógeno se vuelve transparente, dejando que la luz lo atraviese libremente.  Es por ello que, para que las primeras estrellas se volvieran visibles, tendrían que ionizar todo el hidrógeno neutro en sus alrededores.

Reionizando el Universo

Este período de ionización de hidrógeno intergaláctico por las primeras estrellas y galaxias (y quizás también por los agujeros negros en los centros de las galaxias) duró aproximadamente 600 millones de años, hasta que la major parte del hidrógeno pasó a estar ionizado (ver Figura 1). Se lo conoce como la era de la reionización (ve aquí para una introducción más exhaustiva) y es tremendamente importante entenderla, ya que fue durante este período que se formaron las primeras estrellas y galaxias.

Figura 1: Una línea del tiempo que muestra la era de la reionización. Nótense las burbujas de hidrógeno reionizado (en violeta, “ionized bubbles”) que empiezan a aparecer al final de los “años oscuros” (“dark ages” en inglés). Éstas tienen su origen en las primeras estrellas y galaxias, se expanden y se superponen hasta que todo el Universo queda reionizado.

Rápido y furioso

La reionización requiere fotones de alta energía. Esta luz sólo es producida por las estrellas más jóvenes y masivas. Desafortunadamente, estas estrellas “rápidas y furiosas” mueren jóvenes, creando mucha luz de alta energía pero por un período corto de tiempo. Tienden a ionizar sus alrededores de manera realmente eficiente, pero no viven lo suficiente para beneficiarse de su intensa labor.

La fracción de luz de alta energía que escapa de las galaxias se llama “fracción de escape”. Para la mayor parte de los cúmulos de estrellas y galaxias esta fracción es realmente pequeña. Estas estructuras están inicialmente rodeadas por mucho hidrógeno neutro, que bloquea la luz. Y aún cuando las estrellas masivas logran permear con su luz esta capa de hidrógeno, sus vidas son muy cortas y el flujo de fotones de alta energía se detiene rápidamente. Este fenómeno puede verse en simulaciones y en observaciones de galaxias cercanas.

Aquí es donde comienza el misterio. Estamos bastante seguros de que sabemos cuándo comenzó y cuándo terminó la reionización del Universo. Sin embargo, para poder ionizar todo este hidrógeno neutro en tan corto tiempo, la fracción de escape debería ser más alta de lo que estimamos actualmente. ¿Cómo podemos reconciliar esta diferencia? El trabajo que presentamos hoy propone que las estrellas binarias son la solución a todos nuestros problemas (con la fracción de escape), debido a su efecto dramático sobre este parámetro.

Figura 2: Los gráficos muestran dos parámetros (Q_ion, la tasa de producción de fotones ionizantes, y ξ_ion, el cociente de la luminosidad ionizante y la luminosidad a 1500Å) que proveen información sobre la cantidad de luz de alta energía producida por y que escapa de las estrellas. Ambos fueron graficados para un único cúmulo de estrellas como función de su edad en el eje horizontal. Se muestran curvas para modelos con y sin binarias. En el caso de las binarias, la cantidad de luz de alta energía producida que escapa de la estrella se extiende por un período más prolongado de tiempo.

Binarias brillantes

Las estrellas binarias pueden marcar una gran diferencia en la fracción de escape gracias a sus interacciones. Algunas estrellas en pares binarios succionan material de sus compañeras, haciéndose más grandes en el proceso.  Las estrellas binarias pueden también fusionarse, creando una sola estrella más masiva. Estas estrellas masivas son suficientemente grandes para emitir la luz de alta energía que se necesita para ionizar el hidrógeno neutro.

Lo importante es entender que estas estrellas gigantes se pueden formar a partir de estrellas binarias mucho después de que el cúmulo de estrellas haya sido creado. Como se discute más arriba, las primeras estrellas masivas en formarse en un cúmulo de estrellas ya habrían ionizado el hidrógeno neutro circundante. La siguiente generación de estrellas masivas, formadas a partir de las binarias, están luego listas para liberar sus fotones de alta energía al cosmos sin impedimentos (ver Figura 2).

Los autores investigan cómo esto podría ocurrir usando un nuevo modelo que incorpora esos procesos binarios. Lo aplican a simulaciones de galaxias y encuentran que la fracción de luz de alta energía que escapa de una galaxia (la fracción de escape) aumentan en un factor ~3-6. Esto es justo lo que se necesita para ionizar el Universo a tiempo. ¡Problema resuelto!

¿Problema resuelto? La modelo de estrellas binarias aún está siendo explorado en detalle. Hay debate sobre si este modelo puede explicar otras características importantes de las galaxias durante este período del Universo.  Aún así, se trata de una propuesta intrigante, la cual será puesta a prueba por las observaciones en el futuro cercano.

Crédito de la imagen de portada: The Southern African Large Telescope