¿Por qué el universo tiene ese aspecto? Ésta es una de las cuestiones abiertas en astrofísica y física en general. Durante sus primeros mil millones de años, el universo evolucionó desde una sopa desordenada de partículas de alta energía hasta una colección más organizada de galaxias y estrellas, pero muchos detalles de este proceso se nos escapan.

En un estudio reciente, un equipo internacional de investigadores analizó las observaciones del Telescopio Espacial James Webb, centrándose en las galaxias enanas del universo primitivo, y descubrió que estas galaxias emitían luz a intensidades mucho más altas que las previstas. Esta investigación representa un avance importante en nuestra comprensión de las primeras fuentes de luz del universo.

Inmediatamente después del Big Bang, el universo se expandió rápidamente, alcanzando temperaturas y niveles de energía extremadamente altos: la temperatura promedio de las partículas en el universo era de alrededor de 10^30 grados Celsius.

Con un calor tan inmenso, las partículas subatómicas no podían unirse entre sí, por lo que estaba desprovisto de materia tal como la conocemos hoy. Aproximadamente un segundo después, el universo se había enfriado a unos mil millones de grados, y las partículas subatómicas (los componentes básicos de la materia según el modelo estándar de la física de partículas) se crearon, unieron y formaron protones y neutrones.

Cuando el universo tenía unos veinte minutos, ya se había enfriado a temperaturas de varios cientos de miles de grados Celsius. Luego, los protones y neutrones comenzaron a unirse a iones de hidrógeno, helio y litio.

Debido a la alta temperatura del universo, las partículas retenían muy alta energía y por tanto los electrones no podían unirse con los protones para formar átomos estables. Por lo tanto, gran parte del universo existía en estado de plasma, un medio de partículas cargadas eléctricamente que giraban unas alrededor de otras. Este plasma obstruyó la radiación electromagnética, impidiendo la libre propagación de la luz por todo el universo.

Durante los siguientes 370.000 años, el universo continuó enfriándose hasta alcanzar una temperatura de alrededor de 4.000 grados. En este punto, los electrones finalmente pudieron unirse al plasma, lo que llevó a la formación de átomos neutros. Durante esta etapa se liberó la radiación cósmica de fondo, que proporciona información sobre los orígenes del universo. Esta radiación logró recorrer grandes distancias hasta nosotros porque no se vio obstaculizada por la presencia de plasma.

En aquella época, cuando el universo tenía unos 400.000 años, estaba compuesto principalmente de átomos neutros de hidrógeno y helio dispersos de manera bastante uniforme por todo el espacio. En el cielo nocturno de hoy no había estrellas, galaxias ni otros cuerpos celestes complejos que nos resulten familiares. En particular, no había ninguna fuente de luz y el universo estaba esencialmente sumido en la oscuridad.

No fue hasta 20 millones de años después, cuando el universo continuó expandiéndose y enfriándose significativamente, que se formaron las primeras fuentes de luz en el universo. Los astrofísicos que estudian la historia del universo siguen sin estar seguros de la naturaleza y el origen de estas fuentes de luz, cuándo fueron creadas y cómo.

Las teorías predominantes sobre las primeras fuentes de luz del universo sugieren que podrían ser agujeros negros masivos, galaxias masivas o estrellas jóvenes. Aún no se ha formulado una teoría integral que explique la formación de estrellas y galaxias en el universo primitivo, y los físicos todavía están tratando de comprender cuándo y cómo aparecieron las primeras fuentes de luz en el universo.

Gracias al telescopio espacial James Webb, lanzado a finales de 2021, los investigadores se han embarcado en la observación de galaxias muy distantes. Dado que la luz viaja a una velocidad finita, la luz de galaxias distantes tarda mucho en llegar hasta nosotros. Los investigadores centraron sus observaciones en la luz emitida por las galaxias hace unos 13 mil millones de años, que ahora llega al telescopio, lo que les permitió comprender mejor los procesos que ocurrieron en el universo primitivo.

Estas galaxias distantes nos parecen tal como eran hace miles de millones de años, cuando eran galaxias jóvenes que emitían menos luz que otros cuerpos cósmicos. Esto dificulta la observación de galaxias tan distantes utilizando métodos convencionales.

Para superar este problema, los investigadores utilizaron una técnica sofisticada: basada en la teoría de la relatividad general de Einstein, que sugería que masas pesadas pueden doblar el espacio y desviar la trayectoria de la luz que pasa cerca de ellas.

Los investigadores se centraron en las galaxias detrás del enorme cúmulo de galaxias Abell 2744, que, debido a su gran masa, actúa como una lente gravitacional, ampliando y enfocando la luz que viene detrás de él. Esto permitió a los investigadores aumentar la cantidad de luz que llega al telescopio, facilitando observaciones más precisas.

Los investigadores analizaron la luz de galaxias enanas, galaxias que contienen sólo alrededor de mil millones de estrellas. En comparación, la Vía Láctea en la que vivimos contiene cientos de miles de millones de estrellas. Los investigadores analizaron cuidadosamente las observaciones y descubrieron que estas galaxias enanas emiten una radiación cuatro veces más potente de lo esperado.

Además, estas galaxias enanas estaban más extendidas en el universo primitivo que las galaxias más grandes. Por lo tanto, los investigadores suponen que la mayoría de las primeras fuentes de luz del universo eran galaxias de este tipo.

Este estudio es otro ejemplo de un avance científico logrado utilizando el telescopio espacial James Webb. Aunque los resultados son notables, los investigadores enfatizan la necesidad de realizar estudios más profundos, incluida la observación de una muestra más amplia de galaxias, para fortalecer la validez de sus conclusiones.