¿Cuánto calor hacía 12.8 miles de millones de años atrás?

Imagen destacada: modificación de una fotografía en luz óptica de Andrómeda. Créditos de la imagen original: David (Deddy) Dayag.

• Título original: Microwave background temperature at a redshift of 6.34 from H₂O absorption.
• Autores/as: Dominik A. Riechers, Axel Weiss, Fabian Walter, Christopher L. Carilli, Pierre Cox, Roberto Decarli y Roberto Neri.
• Institución del primer autor: Physikalisches Institut, Universidad de Colónia, Colónia, Alemania
• Etiquetas: CMB, cosmología, fondo cósmico de microondas, galaxia, universo temprano
• Estado: publicado en Nature de libre acceso 

Pese a algunas excepciones, les astrónomes tenemos la cosmología por la mano: dad la proporción de materia, radiación, energía oscura, curvatura del espacio-tiempo y valor de la constante de Hubble en un momento determinado, y gracias nuestros colegas Albert Einstein y Alexander Friedman os vamos a poder decir cómo evolucionó el universo de forma completamente determinística en el pasado hasta su nacimiento hace 13.8 miles de millones de años (Figura 1). Pero claro, os preguntaréis: ¿cómo podemos saber que nuestras predicciones son correctas? Efectivamente, no podemos ir miles de millones de años en el pasado y simplemente medir lo que ocurría en aquel entonces. En su lugar, tenemos una mucha mejor alternativa: preguntar a galaxias que vivieron miles de millones de años atrás cuanto calor hacía en su casa.

Temperatura y evolución del universo:

El Universo es un lugar frío hoy en dia. Y cuando digo “la temperatura del Universo”, me refiero temperatura del vacío, lejos de los planetas o las estrellas. Pero, ¿cómo es posible medir la temperatura del vacío? El secreto está en la Radiación Cósmica de Microondas (CMB, de Cosmic Microwave Background en inglés). Esta es una radiación de luz microondas que permea el Universo desde todas las direcciones, tanto que incluso se puede ver en la estática de las televisiones antiguas cuando estas no están sintonizadas con ningún canal. Esta radiación es de origen térmico, y por ello lleva una temperatura asociada con ella, y las mediciones más recientes y acuradas del CMB hechas por el telescopio Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) indican que está a una temperatura de 2.73 K, ¡ni siquiera tres grados por encima del cero absoluto!

Y aquí viene el truco: la temperatura del CMB está estrechamente ligada con el tamaño del universo. Hace miles de millones de años, cuando el universo era más pequeño, el CMB era también más caliente, como un gas comprimido dentro de un recipiente. De la misma forma, el CMB seigue enfriándose hacia el zero absoluto en el futuro a medida que el universo sigue su expansión. O más bien, debería decir, esto es lo que predicen nuestros modelos. ¿Cómo lo podemos saber a ciencia cierta? Literalmente mirando hacia atrás en el tiempo. Resulta que a medida que miramos hacia galaxias más y más lejanas, vemos cada vez más sus aspectos en el pasado. Esto es debido a que la luz tiene una velocidad finita, de manera que si captamos fotones emitidos por estrellas en galaxia hace millones de años, lo que vemos en relidad es el aspecto de esta galaxia hace millones de años también. Y el equipo de investigación del artículo de hoy encontró una galaxia muy peculiar…

Galaxia 1HERMES S350 J170647.8+584623, ¿tienes frío o calor?

1HERMES S350 J170647.8+584623 (HFLS3 para los amigos) es una galaxia de brote estelar (es decir, joven y con altos ritmos de formación estelar), que existió hace 12.8 miles de millones de años, tan solo 900 millones de años después del Big Bang. Fue descubierta por el Telescopio Espacial Herschel, un telescopio de luz infrarroja (recordemos que, a mayor distancia, más rojizas se observan las galaxias), y el equipo de investigación se percató de una gran oportunidad en esta galaxia: en esta época del Universo, el CMB debería de haber sido tan caliente que causaría la excitación de moléculas de agua por la absorción de fotones del propio CMB. Esta absorción es imposible de observar directamente, ya que el propio CMB se ha corrido hacia el rojo desde entonces, pero debido a que HFLS3 tenía altos ritmos de formación estelar, la radiación de sus propias estrellas pudo haber sido absorbida por segunda vez por el estado excitado de las moléculas de agua, produciendo una línea de absorción visible hoy en día en su espectro. ¡Esto es solamente posible gracias a la afortunada combinación de la antigüedad y naturaleza de HFLS3!

Sin demora, el equipo observó HFLS3 con la Red de Milímetro Nórdica Extendida (NOEMA, de Northern Extended Millimeter Array en inglés), un radiotolescopio en microondas en los Alpes franceses y midió su espectro. Cómo era de esperar, encontraron la línea de absorción de la molécula de agua adecuada (Figura 2). Con esta información, hicieron un modelo de radiación que buscó la cantidad de energía recibida del CMB y la temperatura del polvo en HFLS3 (calentado a raíz luz de sus propias estrellas) de la galaxia para mantener una línea de las características medidas. El mejor modelo sugiere una temperatura para el CMB de 16.4 a 30.2 K en aquel entonces, bastante más caliente que en la actualidad.

¿Está de acuerdo HFLS3 con nuestro modelo cosmológico?

La respuesta es que sí: esta temperatura es perfectamente consistente con la predicción de la evolución de la temperatura del Universo/CMB hacia el pasado (Figura 3), y por ende esta es otra confirmación de éxito de la cosmología. No solamente esto, sino que además, como se ve en la Figura 3, este experimento bate el récord en distancia temporal hacia el pasado respeto a otros de similares, siendo los segundos más lejanos algunos cuásares 10 mil millones de años atrás en el tiempo. Así pues, ¡todo un hallazgo! ¡Bravo por el equipo de investigación y bravo por la cosmología!