Por la Dra. Mae-Wan Ho, 7 de noviembre de 2013
El Universo tiene una edad de 14 mil millones de años, pero ya se estaban formando estrellas en las galaxias 700 millones de años después del Big Bang, o incluso antes; tampoco se producen turbulencias cuando dos galaxias colisionan y forman grupos más grandes. Quizás esta teoría no sea correcta, dice la Dra. Mae-Wan Ho.
La Astronomía sigue generando noticias sobre numerosos descubrimientos inesperados y sorprendentes hallazgos. El último descubrimiento es el de una galaxia, la más distante de la Tierra y de la Vía Láctea (1), que se supone muestra lo que ocurrió 700 millones de años después del Big Bang, que marca el nacimiento del Universo hace 13,8 millones de años (Ver cuadro 1).
Cosmología del Big Bang, en pocas palabras (2)
La teoría del Big Bang dice que nuestro Universo comenzó con una gigantesca explosión (big bang) a partir de un estado muy denso y caliente, aproximadamente hace 13.798 millones de años y ha continuado expandiéndose desde entonces hasta la actualidad. Después de la expansión inicial, se produjo un enfriamiento que permitió que la energía se convirtiese en partículas subatómicas (protones, neutrones y electrones) y aparecieron los primeros núcleos atómicos sencillos, todo ello en los tres primeros minutos. Pasaron miles de años antes de que se formaran los primeros átomos eléctricamente neutros, hidrógeno en su mayoría, junto con helio y trazas de litio. Nubes gigantes de estos elementos primordiales se condensaron por gravedad para formar estrellas y galaxias, y los elementos más pesados se sintetizaron, o bien dentro de las estrellas o durante las explosiones de las supernovas, que se forman cuando una estrella llega al final de su vida como resultado de un colapso gravitacional.
La cosmología del Big Bang está basada en las fuerzas gravitatorias entre masas neutras, de acuerdo con la teoría general de la relatividad de Einstein, y tiene un comienzo bien definido y un fin.
El final se produce en varias etapas: primero cesa por completo la formación de estrellas, después de haberse agotado todo el gas interestelar en cada galaxia; las estrellas se consumen, convirtiéndose en enanas blancas, estrellas de neutrones o agujeros negros a medida que la estrella va creciendo. Los resultados de las colisiones son atrapadas por los agujeros negros, de los cuales nada puede escapar, ni siquiera la luz, de modo que los agujeros negros van creciendo paulatinamente. Esto marca el inicio de la Congelación Cósmica, ya que la temperatura media del Universo se acercará al cero absoluto. Sin embargo, a causa de la incertidumbre cuántica, los agujeros negros crean y emiten partículas, y también emiten radiación de Hawking (llamada así por el cosmólogo británico Stephen Hawking). La radiación de Hawking reduce la masa y la energía de los agujeros negros, produciéndose su disipación y aumentando la entropía ( energía térmica incoherente), hasta que sólo quede calor en el Universo, ninguna otra cosa. Esta sería la Muerte Térmica del Universo.
La Galaxia Z8_GND_5296 ha sido el último hallazgo, y tiene el récord de ser la galaxia más lejana y la más antigua jamás descubierta, lo que se ha verificado mediante la combinación de los datos obtenidos por el telescopio espacial Hubble y las del telescopio Keck I en Hawai. El autor principal es el astrónomo Steven Finkelstein de la Universidad de Texas, que dijo (3): “Queremos estudiar galaxias muy distantes para aprender cómo cambian las galaxias con el tiempo”. Las nuevas observaciones dan una idea de las condiciones que reinaban cuando el Universo sólo tenía un 5% de su edad actual de 13,8 millones de años.
Esta galaxia en particular es una de las elegidas entre docenas para su seguimiento, con cerca de 100.000 galaxias descubiertas por el Hubble Cosmic Assembly Near-infrared Deep Extragalactic Legacy Survey (CANDELS), el proyecto más importante en la historia del Hubble, con más de un mes de observaciones por parte del telescopio Hubble.
Desplazamiento hacia el rojo y distancia cosmológica
Para calcular la distancia a la que se encuentran las galaxias, especialmente las muy lejanas, los astrónomos utilizan la espectroscopia, una técnica para el análisis de la luz emitida o absorbida que aparece en formas de líneas o bandas espectrales muy estrechas, observando la cantidad de luz de la galaxia que se ha desplazado hacia el rojo, es decir, que ha aumentado su longitud de onda (4,5).
Entre los marcadores más precisos en el desplazamiento hacia el rojo se encuentra la línea de Lyman, que aparece cuando el átomo de hidrógeno emite o absorbe un electrón, pasando desde un estado de excitación a otro estado fundamental. En el laboratorio esta línea aparece en 121,6 nm en la parte más lejana del espectro electromagnético, la ultravioleta. En lo que se refiere a la luz procedente de objetos astronómicos, la línea de desplaza a longitudes de ondas más largas. Este cambio se atribuye a la expansión del Universo ( el objeto se aleja de la Tierra) que preconiza la teoría del Big Bang. El desplazamiento hacia el rojo (z) es el incremento en la longitud de onda de radiación electromagnética recibidas por un detector comparado con la longitud de onda emitida por la fuente.
z = (lob – lrest)/ lrest (1)
Por lo tanto, un desplazamiento hacia el rojo en un valor de 7 ( un exceso en 7 veces), significa que la longitud normal en reposo se desplaza a la región del infrarrojo, es decir, 972,8 nm. Sabiendo el desplazamiento hacia el rojo es posible conocer la distancia a la que se encuentra el objeto, así como el tiempo en relación al presente en el que se emitió la luz (4,5). Esto depende de una relación de proporcionalidad entre la distancia el desplazamiento al rojo, conocida como Ley de Hubble.
Finkelstein y el equipo de astrónomos utilizaron el telescopio Keck para medir el desplazamiento hacia el rojo de la línea Lyman-alpha de la luz emitida por Z8_GND_5296, siendo de 7.51, la más alta que se ha detectado hasta ahora, por lo que sería la galaxia más lejana y más antigua del Universo (1,3), si es que el desplazamiento hacia el rojo indica la distancia cosmológica de acuerdo con la teoría del Big Bang de expansión del Universo.
Resultados inesperados
Son varias las características inesperadas de la galaxia Z8_GND_5296, además de su gran antigüedad. La primera es que se siguen formando estrellas a gran rapidez, alrededor de 330 masas solares al año, 150 veces más rápidamente que lo hace nuestra galaxia, la Vía Láctea, a pesar de que sólo habría evolucionado durante 700 millones de años después del Big Bang (1). Este nuevo récord de distancia se encuentra en la misma parte del cielo que el objeto poseedor del anterior récord, con un desplazamiento hacia el rojo de 7.2, donde también se forman estrellas con gran rapidez. Esto sugiere que el Universo temprano puede albergar una gran cantidad de sitios donde las formaciones estelares es mayor de lo esperado. (No está claro por qué este es un resultado inesperado, ya que la teoría del Big Bang no hace predicciones definidas sobre la formación de galaxias a lo largo del tiempo. Más bien, habla de fluctuaciones en la densidad de la materia ( y de la materia oscura) en el universo homogéneo original para explicar el agrupamiento en la distribución de galaxias y cúmulos de galaxias [6]).
Otra característica inusual de Z8_GND_5296 es que es la única de las 43 galaxias con z>6.5 (desplazamiento hacia el rojo mayor de 6.5) en la que se detecta en la línea Lyman-alpha una emisión de hidrógeno neutro (no ionizado) , mientras que era de esperar en 6 de esas galaxias. Para explicar la carencia de tales galaxias, la presencia de hidrógeno neutro en el medio intergaláctico (IGM) con z=6.5 tendría que ser del orden del 60% al 90% (lo que absorbería la emisión), lo que implica un rápido aumento desde z=6, donde las galaxias de las que se detecta la línea Lyman-alpha son más abundantes. Sin embargo, la mayoría del resto de observaciones de hidrógeno neutro en el medio intergaláctico dan valores del 10%.
La galaxia Z8_GND_5296 no es visible en el espectro óptico a causa del desplazamiento hacia el rojo, pero como es muy brillante en el resto del espectro ultravioleta y óptico parece muy brillante al acercarse al infrarrojo. Su brillo también es inusual para un objeto tan distante, ya que la ley de Hubble se basa en observaciones más débiles con un desplazamiento hacia el rojo. Esta anomalía no fue comentada por los autores (1,3).
Cúmulo de Coma, otra gran sorpresa
Un mes antes, los astrónomos habían descubierto enormes brazos de gas caliente en el cúmulo de galaxias de Coma analizando los datos de Chandra, observatorio de rayos X de la NASA, y el XMM-Newton de la ESA (7). Chandra es un telescopio diseñado especialmente para detectar emisiones de rayos X procedentes de regiones muy calientes del Universo, como explosiones de estrellas, cúmulos de galaxias y materia en torno a los agujeros negros. Debido a que los rayos X son absorbidos por la atmósfera terrestre, Chandra debe orbitar alrededor de ella, a una altitud de 139.000 kilómetros (8). El XMM-Newton es el equivalente de la Agencia Espacial Europea, con múltiples espejos de rayos X, que se puso en marcha en diciembre de 1999. El satélite tiene 3 telescopios de alto de rendimiento de rayos X, cada uno con 58 espejos concéntricos, diseñados de manera que se maximiza su área colectora, y se ha completado con un monitor óptico, un telescopio de 30 cm de diámetro (9).
Los rayos X emitidos por el plasma caliente en las turbulencias de un cúmulo de galaxias es algo predicho por la teoría del Big Bang, lo que puede suponer el 10% de la energía central del cúmulo. Sin embargo, las observaciones con los telescopios de rayos X de la base del cúmulo de Coma muestran 4 largos brazos de alta densidad que abarcan 150 kiloparsecs (489.000 años luz) (Figura 1), dos de los cuales (parte inferior izquierda de la imagen) parecen estar relacionados con un subgrupo de galaxias en un radio de 650 kiloparsecs que se han fusionado en el cúmulo, lo que implicaría una coherencia de cientos de millones de años (7). En otras palabras, no hay ninguna turbulencia, a pesar del estado energético del cúmulo, que presumiblemente se formó al chocar las galaxias entre sí. “Los campos magnéticos son presuntamente los responsables”, sugirieron los autores.
Grave desajuste entre la teoría y las observaciones
El astrofísico Wal Thornhill ha revisado los hallazgos en el cúmulo de Coma en este excelente vídeo (10). Thornhill nos recuerda que el astrónomo Halton Arp escribió un libro, “Cuásares, desplazamientos hacia el rojo y controversias”, publicado en 1988.
[youtube=http://www.youtube.com/watch?v=IDDLwfVRZdA]
“El cúmulo de Coma es el conjunto más denso, con las galaxias más visibles en el cielo y durante mucho tiempo se consideró como el prototipo medio de los cúmulos de galaxias. El astrónomo Sinclair Smith fue uno de los primeros en señalar que el desplazamiento hacia el rojo eran velocidades en equilibrio… la masa del cúmulo sobrepasaba la masa de las galaxias que lo componen.
El destacado astrónomo Fritz Zwicky señaló más tarde esta discrepancia, y de ahí viene el concepto de materia oscura. Esta observación que pasó desapercibida era sin embargo crucial para mantener el supuesto de que el desplazamiento hacia el rojo se debía a la velocidad de alejamiento. Con el tiempo se hizo tan necesaria que hoy en día suponemos un Universo con 90% de materia no visible”.
Arp sugirió que en lugar de considerar unos sistemas estáticos, los cúmulos de galaxias como el de Coma se llenan con radiación de alta energía que requiere un nuevo suministro.
“Hay pruebas de la reciente emisión de materia con un gran desplazamiento hacia el rojo. Tiene un componente intrínseco de desplazamiento hacia el rojo. Son pequeñas, de baja luminosidad y están asociadas con las galaxias mayores más cercanas ”.
En otras palabras, como Thornhill continúa diciendo (10), los brazos se conectan, las galaxias padre mayores con las galaxias más jóvenes (hijas). Arp ha modificado la relación del desplazamiento hacia el rojo: el gran desplazamiento hacia el rojo estaría relacionado con la juventud del objeto, no con la edad.
Hay una seria discrepancia entre la cosmología del Big Bang y las observaciones empíricas, algo que no se puede reconciliar ni con la ayuda de la energía y la materia oscuras no observables. La principal teoría candidata frente a la del Big Bang, que se puede explicar sin necesidad de energía ni materia oscuras, es la del plasma eléctrico ( ver (12) La creación continua de plasma eléctrico frente al Universo del Big Bang, SiS 60). Presenta un Universo vivo, donde de forma continua se crean galaxias y estrellas, lo que nos recuerda la propuesta del matemático y filósofo inglés Alfred North Whitehead, que decía que el Universo es un organismo, y que no podemos esperar entender la naturaleza sino es como un organismo (ver [13] Life is Water Electric, SiS 57).
Doy las gracias a Bob Johnson del proyecto Thunderbolt por la revisión del manuscrito y sus útiles comentarios.
Nota: Para acceder a las referencias y a los gráficos es preciso estar registrado en el sitio web de ISIS
http://www.i-sis.org.uk/Galaxy_making_stars_at_the_edge_of_the_universe.php