Del origen de la materia a la formación de galaxias: así surgió el universo

Dos investigaciones recientes permiten acercarse a los primeros momentos de la historia cósmica al estudiar estrellas y materia primordial (NSF/AUI/NSF NRAO/S.DAGNELLO)

Al hablar del origen del universo, es fácil imaginar un cielo estrellado que se forma a toda velocidad o partículas elementales que surcan el espacio en un caos primitivo. En la actualidad, dos investigaciones, desde perspectivas muy diferentes, permiten acercarse a esos primeros momentos de la historia cósmica: una se encargó de rastrear la formación masiva de estrellas y agujeros negros en galaxias jóvenes, mientras que la otra estudió cómo la materia pudo transformarse en sus formas más elementales en condiciones extremas.

El primer trabajo, liderado por expertos de la Universidad de Kansas, revela nuevos detalles sobre la formación de galaxias durante el llamado “mediodía cósmico“, un momento de alta actividad en el espacio, a través de datos aportados por el telescopio espacial James Webb (JWST). El segundo, proveniente del Instituto de Física Moderna de la Academia China de Ciencias, propone una forma novedosa de detectar una reconfiguración fundamental de la materia, conocida como transición hadrón-cuark, en colisiones de núcleos atómicos en las etapas iniciales luego del Big Bang.

Aunque trabajan en escalas distintas, ambos comparten un mismo impulso: entender cómo el universo llegó a ser tal como lo conocemos. Cada uno ilumina, desde su lugar, una pieza del gran rompecabezas.

Durante un período conocido como “mediodía cósmico”, hace entre 10 y 11 mil millones de años, las galaxias producían estrellas a un ritmo frenético. Los astrónomos sabían de esta etapa, pero el polvo que las envuelve, conformado por partículas diminutas, dificultaba ver con claridad lo que ocurría en su interior. Para superar esta barrera, un equipo de la Universidad de Kansas, liderado por la profesora Allison Kirkpatrick, realizó el proyecto MEGA utilizando el JWST.

Observar en infrarrojo medio permite a los astrónomos ver detrás del polvo, revelando el nacimiento de estrellas ocultas a simple vista (NOIRLAB)

“Nuestro objetivo con este proyecto es realizar el mayor relevamiento en infrarrojo medio utilizando el JWST en múltiples bandas de anchura”, explicó la experta en un comunicado de la institución educativa. Este rango del espectro electromagnético es clave porque, a esas longitudes de onda, se puede ver detrás del polvo para captar el nacimiento de estrellas ocultas.

Para entenderlo mejor, mirar en infrarrojo medio es como usar lentes especiales que permiten ver el interior de una tormenta de arena. Así se revela lo que ocurre detrás de la cortina de material.

El proyecto abarcó una región del cielo conocida como Franja de Groth Extendida. Se trata de un área particularmente limpia de la contaminación de astros de la Vía Láctea, lo que facilita observar objetos mucho más distantes.

Logró analizar alrededor de 10.000 galaxias. Cada una de ellas aparecía en distintos colores e intensidades según su edad, su cantidad de polvo y su actividad estelar. Para obtener estos datos, los investigadores combinaron imágenes tomadas en cuatro filtros diferentes de MIRI, un instrumento del telescopio James Webb especializado en luz infrarroja media. De esta manera, superpusieron capas de información de distintos colores para construir un mosaico final completo.

Los datos obtenidos combinan imágenes en cuatro filtros diferentes, formando un mosaico que revela edad, polvo y actividad estelar (NASA/JWST/Backhaus)

Transformar las imágenes captadas por el telescopio en información científica precisa fue una tarea minuciosa. Bren Backhaus, una de las principales encargadas de este proceso, explicó que debió corregir defectos como píxeles muertos o rayones en el instrumental. “El primer paso consiste en corregir o al menos instruir al software para que los ignore”, relató.

Una vez depurados los datos, Backhaus alineó las imágenes tomadas en distintos filtros para crear mosaicos científicos listos para ser analizados. Luego, elaboró un catálogo de cuánta luz emitía cada galaxia en las diferentes bandas de observación.

El procedimiento se asemeja al de unir piezas dispersas de un enorme rompecabezas: primero, corrigiendo imperfecciones en cada fragmento, y luego encajándolos con precisión para revelar la escena completa. De esta manera, MEGA no solo permitió ver las galaxias, sino también medir su intensidad y estructura con una precisión sin precedentes.

El telescopio James Webb ayudó a revelar detalles de galaxias jóvenes ocultas por polvo en la etapa más activa de formación estelar (NASA)

Gracias a esta meticulosa labor, los astrónomos ahora pueden identificar cómo crecieron los agujeros negros supermasivos en el corazón de las galaxias, revelar pistas sobre cómo estos sistemas cósmicos cambiaron de forma a lo largo de miles de millones de años y comprender cómo se ensamblaron las estrellas que forman la mitad de la masa estelar actual del universo. Al poder mirar detrás del polvo con una sensibilidad inédita, el proyecto abre una nueva ventana para reconstruir el pasado oculto del espacio.

Mientras los astrónomos escudriñaban el origen lejano en busca de estrellas y polvo, otro grupo de científicos, desde la física nuclear, exploraba algo aún más primitivo: las condiciones bajo las que la materia misma cambió su estructura fundamental.

Comprender cómo y cuándo ocurrió esta transformación no solo ayuda a reconstruir los primeros momentos del cosmos, sino que también permite verificar predicciones fundamentales de la física moderna sobre el comportamiento de la materia a temperaturas y densidades extremas.

La formación de un plasma de quarks y gluones revela el estado primordial de la materia apenas unos instantes después del Big Bang (ILLUSTRIS COLLABORATION)

El Instituto de Física Moderna de la Academia China de Ciencias, con la dirección de Gao-Chan Yong, propuso una nueva forma de detectar si, en colisiones de iones pesados, se formó un plasma de quarks y gluones (QGP), un estado en el que los bloques fundamentales de la materia fluyen libremente, como ocurrió en los primeros instantes del universo.“De forma similar a cómo las huellas dactilares identifican a las personas, las proporciones de producción de diferentes partículas en colisiones contienen información crucial”, explicó en un artículo académico.

En términos sencillos: cuando dos núcleos atómicos, como los de oro o calcio, chocan a velocidades altísimas, generan temperaturas tan extremas que los quarks (las piezas fundamentales que componen protones y neutrones) podrían liberarse y formar, así, un estado material que existió poco después del Big Bang.

Los investigadores simularon estas colisiones y observaron que, al comparar sistemas ligeros (como el calcio) con sistemas pesados (como el oro), la producción de ciertas partículas (en particular, los hiperones Lambda y los mesones K positivos) mostraba patrones diferentes si surgía un plasma de quarks.

Para visualizarlo, es como comparar el vapor que se libera al hervir agua en un vaso pequeño frente a una olla gigante. Si la emanación es mucho menor a la esperada en la olla, algo inusual está ocurriendo: en este caso, una transición de fase en la materia.

Confirmar la existencia del plasma de quarks ayudaría a trazar el diagrama de fases que describe la evolución del universo temprano (AFP)

Una de las principales ventajas del nuevo método propuesto por Yong y su equipo es que ayuda a reducir los errores sistemáticos. Al comparar las mismas partículas en choques de sistemas pesados y livianos, se anulan muchas de las incertidumbres propias de los modelos de simulación. “El uso de la relación de observables de dos sistemas de reacción puede obviar muchas incertidumbres teóricas en los cálculos de los modelos de transporte”, afirmaron los autores.

Además, los resultados fueron validados mediante otro sistema independiente, PACIAE, con el que se confirmó que los patrones observados no eran un artefacto de la simulación inicial. Esta nueva herramienta permitirá que futuros experimentos busquen con mayor precisión las señales de una transición de fase en la materia, para trazar con mayor detalle el llamado “diagrama de fases” que describe cómo cambia la estructura interna del espacio bajo diferentes condiciones extremas.

Detectar de manera inequívoca la aparición del plasma de quarks y gluones sería como descubrir las huellas fósiles del estado original de la materia, tal como existía apenas unos microsegundos después del Big Bang. Este avance acercaría a la ciencia a responder una de las grandes preguntas sobre cómo pasó el universo de ser un océano libre de partículas elementales a construir los ladrillos básicos de todo lo que existe hoy en día.