Con la ayuda del VLT de ESO, los astrónomos descubren hidrógeno molecular en los confines del cosmos.

Comunicado de Prensa ESO PR 16/06.

Utilizando como baliza a un cuásar localizado a 12 300 millones de años luz, un equipo de astrónomos detectó la presencia de hidrógeno molecular en el sistema más lejano localizado hasta ahora, una galaxia casi invisible que se puede observar en una época en que el universo tenía menos de 1 500 millones de años de edad, es decir, aproximadamente un 10% de su edad actual.

Los astrónomos descubrieron que hay aproximadamente una molécula de hidrógeno por cada 250 átomos de hidrógeno. Un conjunto similar de observaciones en otros dos cuásares, junto a las mediciones de laboratorio extremadamente precisas, permitió a los científicos inferir que la proporción entre las masa del protón con respecto a la del electrón podría haber cambiado con el tiempo. Si se confirmara, esto podría tener consecuencias importantes sobre nuestra ideas acerca de la física.

“La detección de hidrógeno molecular y la medición de su propiedades en las zonas más remotas del universo resulta importante para comprender el medioambiente gaseoso y determinar la velocidad de formación estelar en el universo temprano”, dijo Cédric Ledoux, autor principal del artículo que presenta los resultados [1].

Aunque el hidrógeno molecular es la molécula más abundante en el universo, es muy difícil de detectar directamente. Hasta ahora, la única forma de detectarla directamente en el universo lejano es buscar sus firmas indicadoras en los espectros de los cuásares o en los post-resplandores de estallidos gamma. Esto requiere una gran resolución espectral y grandes telescopios, para alcanzar la precisión necesaria.

Un equipo de astrónomos, compuesto por Cédric Ledoux (ESO), Patrick Petitjean (IAP, París, Francia), y Raghunathan Srianand IUCAAA, Pune, India), está llevando una prospección en busca de hidrógeno molecular con alto desplazamiento al rojo utilizando el Espectrógrafo Escalonado Ultravioleta y Visible (UVES) en el Telescopio Muy Grande de ESO. De los 75 sistemas observados hasta ahora, 14 presentan una detección firme de hidrógeno molecular. Entre ellos, uno muestra un desplazamiento al rojo de 4,224.

Mientras utilizaban como faro el cuásar PSS J 1443+2724 que se encuentra a 12 300 millones de años luz de distancia, los astrónomos detectaron varios rasgos pertenecientes a una galaxia no vista hasta ahora que poseía un desplazamiento al rojo de 4,224. En particular, se descubrieron muchas líneas correspondientes a hidrógeno molecular, estableciendo un nuevo récord en la detección de este elemento en el objeto más lejano del universo. Esto también implica que el gas de esta galaxia debía ser bastante frío, entre los –90 y los –180 grados centígrados.

ESO PR Foto 16/06:Hidrógeno molecular en una galaxia distante.

Además, también se observaron varias líneas provenientes de “metales”, lo que permitió a los investigadores deducir las cantidades de varios elementos químicos.

“A partir de la abundancia observada de nitrógeno, proponemos que tuvo que ser producido en la etapa final de la vida de las estrellas de 4 a 8 masas solares”, dijo Patrick Petitjean. “Por lo tanto, la actividad de formación estelar debe haberse producido al menos 200 a 500 millones de años antes de la época en que observamos a esta galaxia, es decir, cuando el universo tenía unos mil millones de años de edad [2].

Si la galaxia pasó a través de una fase de actividad intensa de formación estelar, está ahora, en el momento de las observaciones, en un estado bastante inactivo.

“Estas observaciones demuestran la posibilidad de llevar a cabo estos estudios en los más altos desplazamientos al rojo con el VLT de ESO”, dijo Raghunathan Srianand. “En particular, la posibilidad de observar el medio interestelar de galaxias distantes revelado al utilizar estallidos de rayos gamma como faros, impulsará este campo en el futuro cercano” [3].

Los astrónomos realizaron un conjunto similar de mediciones precisas de líneas de hidrógeno molecular [4] con el instrumento UVES del VLT observando otros dos cuásares, Q 0405-443 y Q 0347-383.

Este conjunto de datos permitió a los astrónomos comparar las relaciones de masa del protón con respecto a la del electrón en el hidrógeno molecular tal como es ahora y como era hace 12 mil millones de años [5]. Para lograrlo, llevaron a cabo mediciones extremadamente precisas de las líneas espectrales de las moléculas de hidrógeno en el laboratorio y compararon los resultados con las mismas líneas observadas en los espectros de estos cuásares.

Estas mediciones muestran que la relación de masa entre el protón y el electrón podría haber cambiado, haciéndose 0,002% más pequeña durante los pasados 12 mil millones de años. Aunque un cambio tal pueda parecer insignificante, podría tener consecuencias importantes sobre nuestras ideas acerca de la física. Sin embargo, los científicos remarcan que su resultado es apenas un “indicativo”, no una “prueba”, y que debería ser confirmado por mediciones posteriores, tanto astronómicas como de laboratorio.

NOTAS:

1].- Los resultados se describen en un artículo aceptado para ser publicado en la revista Astrophysical Journal Letters ("Molecular Hydrogen in a Damped Lyman-α system at zabs=4.224", por C. Ledoux, P. Petitjean, y R. Srianand).

2].- De hecho, 200 a 500 millones de años es el tiempo necesario para que se forme una estrella con una masa de entre 4 a 8 masas solares, y para que expulse hacia el medio interestelar el nitrógeno observado.

3].- Utilizando estas observaciones, pero mirando hacia el carbono en lugar de hacia el hidrógeno, los autores pudieron derivar la temperatura de Fondo de Microondas en esa época. Esta radiación fósil ha sido emitida como consecuencia directa del Big Bang, cuando el universo tenía apenas 300 000 años de edad y, en ese momento, una temperatura de unos 3 000ºK. A medida que el universo se expande, se enfría, y su temperatura ha caído en nuestros días hasta apenas 3ºK (-270ºC). Los astrónomos descubrieron que cuando tenía 1 500 millones de años de edad, el universo poseía una temperatura de 14ºK (-259ºC), en concordancia con la teoría del Big Bang.

4].- Este estudio apareció en 2005 en Astronomy and Astrophysics, vol. 440, p. 45 ("A new constraint on the time dependence of the proton-to-electron mass ratio. Analysis of the Q 0347-383 and Q 0405-443 spectra", por A. Ivanchik et al.). Véase también ESO PR 05/04 por resultados sobre la posible variación de la constante de estructura fina a lo largo del tiempo cosmológico, por el mismo equipo.

5].- Este descubrimiento se informa en el número del 12 de abril de Physical Review Letters ("Indication of a cosmological variation of the proton-to-electron mass ratio based on laboratory measurement and reanalysis of H2 spectra", por E. Reinhold et al.). Las mediciones de laboratorio fueron realizadas con un láser especial, desarrollado por el Laser Centre VU Amsterdam, operando en longitudes de onda específicas absorbidas por las moléculas de hidrógeno. Estas longitudes de onda se encuentran en el ultravioleta extremo (XUV) entre los 90 y los 110 nanómetros. El haz de radiación XUV se cruza con un haz de moléculas de H2 en condiciones de vacío. Las mediciones de laboratorio, los cálculos sobre la molécula de hidrógeno, y el análisis estadístico de los datos fueron llevados a cabo por un equipo de la Vrije Universiteit Amsterdam, Holanda, liderado por Wim Ubachs e integrado además por Elmar Reinhold (ahora asociado a la Agencia Espacial Europea, ESA, en Noordwijk, Holanda), Urs Hollenstein (ahora en ETH, Zurich, Suiza) y Ruth Buning. Las observaciones de los cuásares con UVES en el VLT de ESO fueron realizadas por un equipo encabezado por Patrick Petitjean (Institut d'Astrophysique de París, Francia) y Alexander Ivanchik (Ioffe Institute, San Petersburgo, Rusia). Véase también la página web de Wim Ubachs en http://www.nat.vu.nl/~wimu/NatCont-Eng.html.
La relación de masa protón-electrón es un constante fundamental muy importante en la naturaleza. Esta constante no tiene dimensión, es decir, es independiente de cualquier sistema de unidades. Su valor actual es Mp/me = 1836.1526726.

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Teléfono: +56 2 463 30 56 or +56 55 43 53 11
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VLT (Very Large Telescope) de ESO en Paranal, Chile.© ESO / Paranal

Traducido para Astroseti.org por
Heber Rizzo Baladán

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Web Site: ESO Press Release 16/06
Artículo: “Physics in Universe's Youth”
Fecha: Mayo 08, 2006

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Enlace con el artículo original en inglés: AQUÍ.