La galaxia NGC 4206
Esta imagen captada por el telescopio Hubble de la NASA muestra el extremo en espiral de la galaxia NGC 4206. NASA

Científicos de la Universidad de Clemson, en Carolina del Sur, Estados Unidos, han logrado medir toda la luz de las estrellas producida a lo largo de la historia del universo observable.

Ahora hay alrededor de dos billones de galaxias y un billón de billones de estrellas. Utilizando nuevos métodos de medición de luz estelar, el astrofísico del Colegio de Ciencias de la Universidad de Clemson Marco Ajello y su equipo analizaron datos del Telescopio Espacial de Rayos Gamma Fermi de la NASA para determinar la historia de la formación de estrellas durante la mayor parte de la vida del universo. El equipo publica los resultados y las ramificaciones del nuevo proceso de medición del equipo en un artículo en 'Science'.

"A partir de los datos recopilados por el telescopio Fermi, pudimos medir la cantidad total de luz estelar emitida. Esto nunca se había hecho antes --subraya Ajello, el autor principal del artículo--. La mayoría de esta luz es emitida por estrellas que viven en galaxias. Y así, esto nos ha permitido entender mejor el proceso de evolución estelar y obtener una visión cautivadora de cómo produjo el universo su contenido luminoso".

Poner un número en la cantidad de luz estelar que se haya producido tiene varias variables que hacen que sea difícil de cuantificar en términos simples. Pero de acuerdo con la nueva medición, el número de fotones (partículas de luz visible) que escaparon al espacio después de ser emitidos por las estrellas se traduce a 4 seguido de 84 ceros. O, dicho de otra manera: 4.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 fotones o partículas de luz visible.

Como la de una bombilla de 60 vatios

A pesar de este número extraordinariamente grande, es interesante observar que, con la excepción de la luz que proviene de nuestro propio sol y galaxia, el resto de la luz estelar que llega a la Tierra es extremadamente tenue, equivalente a una bombilla de 60 vatios vista en su totalidad en completa oscuridad a unos 2,5 kilómetros de distancia. Esto se debe a que el universo es casi incomprensiblemente enorme. Esta es también la razón por la que el cielo está oscuro por la noche, aparte de la luz de la luna, las estrellas visibles y el tenue brillo de la Vía Láctea.

Usando el Telescopio Espacial de rayos gamma Fermi, Ajello y su compañero postdoctoral Vaidehi Paliya analizaron casi nueve años de datos pertenecientes a señales de rayos gamma de 739 blazars.

Los blazars son galaxias que contienen agujeros negros supermasivos que son capaces de liberar chorros de partículas energéticas colimadas (con rayos paralelos) estrechamente que saltan de sus galaxias y se extienden por el cosmos a casi la velocidad de la luz. Cuando uno de estos chorros se dirige directamente a la Tierra, es detectable incluso cuando se origina desde muy lejos. Los fotones de rayos gamma producidos dentro de los chorros eventualmente chocan con la niebla cósmica, dejando una huella observable. Esto permitió al equipo de Ajello medir la densidad de la niebla no solo en un lugar concreto sino también en un momento dado en la historia del universo.

"Los fotones de rayos gamma que viajan a través de la niebla de la luz de las estrellas tienen una gran probabilidad de ser absorbidos", apunta Ajello, profesor asistente en el Departamento de Física y Astronomía. "Al medir cuántos fotones se han absorbido, pudimos medir cómo de espesa era la niebla y también, en función del tiempo, cuánta luz había en todo el rango de longitudes de onda".

Usando estudios de galaxias, la historia de formación estelar del universo ha sido analizada durante décadas. Pero un obstáculo al que se enfrentaron investigaciones anteriores fue que algunas galaxias estaban demasiado lejos o eran demasiado débiles para que las detectaran los telescopios actuales. Esto obligó a los científicos a estimar la luz de las estrellas producida por estas galaxias distantes en lugar de registrarla directamente.

El equipo de Ajello pudo evitar este escollo empleando los datos del Telescopio de Área Grande de Fermi para analizar la luz de fondo extragaláctica. La luz estelar que escapa a las galaxias, incluidas las más distantes, eventualmente se convierte en parte de la EBL. Por lo tanto, las mediciones precisas de esta niebla cósmica, que recientemente se han hecho posibles, eliminaron la necesidad de estimar las emisiones de luz de galaxias ultra-distantes.

Formación de siete estrellas al año en la vía láctea

Paliya realizó el análisis de rayos gamma de todos los 739 blazars, cuyos agujeros negros son millones o billones de veces más masivos que nuestro sol. "Al utilizar blazars a diferentes distancias de nosotros, medimos la luz estelar total en diferentes periodos de tiempo --detalla Paliya, del Departamento de Física y Astronomía--. Medimos la luz estelar total de cada época: hace mil millones de años, hace dos mil millones de años, hace seis mil millones de años, etcétera, desde la primera vez que se formaron las estrellas. Esto nos permitió reconstruir la EBL y determinar la historia de la formación estelar del universo de una manera más efectiva que la que se había logrado antes".

Cuando los rayos gamma de alta energía chocan con la luz visible de baja energía, se transforman en pares de electrones y positrones. Según la NASA, la capacidad de Fermi para detectar rayos gamma en una amplia gama de energías lo hace especialmente adecuado para mapear la niebla cósmica. Estas interacciones de partículas ocurren en inmensas distancias cósmicas, lo que permitió al grupo de Ajello explorar más profundamente que nunca la productividad de formación estelar del universo.

"Los científicos han intentado medir la EBL durante mucho tiempo. Sin embargo, los primeros planos muy brillantes como la luz zodiacal (que es la luz dispersada por el polvo en el sistema solar) hicieron que esta medida fuera un gran desafío --agrega el coautor Abhishek Desai, graduado asistente de investigación en el Departamento de Física y Astronomía--. Nuestra técnica es insensible a cualquier primer plano y, por lo tanto, superó todas estas dificultades a la vez".

La formación de estrellas, que se produce cuando las densas regiones de nubes moleculares colapsan y forman estrellas, alcanzó su punto máximo hace unos 11.000 millones de años. Pero, aunque el nacimiento de nuevas estrellas se ha ralentizado desde entonces, nunca se ha detenido. Por ejemplo, en nuestra galaxia la Vía Láctea se crean cada año alrededor de siete nuevas estrellas.

El establecimiento no sólo de la EBL actual, sino la revelación de su evolución en la historia cósmica es un gran avance en este campo, según el miembro del equipo Dieter Hartmann, profesor en el Departamento de Física y Astronomía. "La formación de estrellas es un gran ciclo cósmico y reciclaje de energía, materia y metales. Es el motor del universo --dice Hartmann--. Sin la evolución de las estrellas, no tendríamos los elementos fundamentales necesarios para la existencia de la vida".

Comprender la formación de estrellas también tiene ramificaciones para otras áreas astronómicas, como la investigación sobre el polvo cósmico, la evolución de las galaxias y la materia oscura. El análisis del equipo proporcionará a futuras misiones una guía para explorar los primeros días de la evolución estelar, como el próximo Telescopio Espacial James Webb, que se lanzará en 2021 y permitirá a los científicos buscar la formación de galaxias primordiales.

"Los primeros mil millones de años de la historia de nuestro universo son una época muy interesante que aún no ha sido analizada por los satélites actuales --concluye Ajello--. Nuestra medida nos permite echar un vistazo por dentro. Tal vez algún día encontremos una manera de mirar todo el camino de vuelta al Big Bang. Este es nuestro objetivo final".