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30/8/06 - DJ:

Hidrógeno molecular en quásars

La observación de un quasar localizado a 12.300 millones de años-luz permite detectar hidrógeno molecular en una remota galaxia cuya luz nos llega desde una época en que el Universo había alcanzado un 10% de su edad actual. Similares estudios en otros dos quasars y medidas de laboratorio de alta precisión sugieren que las masas del protón y el electrón podrían haber variado con el tiempo.
Vía Astroguía




Un quasar puede ser utilizado como un faro por los astrónomos ya que su luz experimenta variaciones al atravesar las nubes de gas interestelar de alguna galaxia más cercana y situada en la misma línea de visión. Este gas absorbe parte de la luz emitida por el quasar y así el espectro resultante presenta "valles" oscuros atribuibles a elementos químicos bien conocidos y perfectamente identificables.

Un equipo internacional de astrónomos detectó de este modo hidrógeno molecular en una invisible galaxia que observamos cuando la edad del Universo era sólo de 1.500 millones de años, un 10% de su edad actual. La proporción era de una molécula por 250 átomos de hidrógeno. Una batería similar de observaciones para otros dos quasars, junto con los más precisos experimentos de laboratorio, sugirió a los científicos que la proporción entre las respectivas masas del protón y el electrón podrían haber cambiado con el transcurso del tiempo, hallazgo que de llegar a confirmarse acarrearía importantes consecuencias para nuestra comprensión de la física.

Imagen: hidrógeno molecular en una galaxia distante. Espectro del quasar PSS J 1443+2724 revelando una otro modo invisible galaxia a z = 4.224. Superpuesto al espectro observado, en negro, aparece en rojo el mejor ajuste. [Ampliar imagen]

Aunque el hidrógeno molecular es la molécula más abundante en el Universo, su detección directa no resulta fácil porque se trata de una molécula simétrica sin líneas espectrales intensas en ondas de radio. En determinadas regiones del espacio no puede sobrevivir porque la luz estelar ultravioleta las disocia fácilmente, pero constituyen el ingrediente fundamental de las densas y frías nubes moleculares. En el Universo lejano la única forma de detectar hidrógeno molecular es a través de su marca en el espectro de los quasars o el brillo remanente de las explosiones de rayos gamma. Pero todo esto requiere grandes telescopios y una elevada resolución espacial para alcanzar la precisión necesaria.

Los astrónomos Cédric Ledoux (ESO), Patrick Petitjean (IAP, Paris) y Raghunathan Srianand (IUCAA, Pune, India) llevaron a cabo una búsqueda de hidrógeno molecular a desplazamiento al rojo (z) muy elevado utilizando el UVES (Ultraviolet and Visible Echelle Spectrograph) del VLT en el Observatorio Europeo Austral. Entre los sistemas observados 14 portaban la firma del hidrógeno molecular, y entre estos uno se hallaba a z=4.224 cuya presencia se reveló en la luz del quasar PSS J 1443+2724, distante 12.300 millones de años-luz a partir de determinadas características, entre ellas numerosas líneas de hidrógeno molecular que superaron el récord de detección de esta molécula en los objetos más remotos del Universo. Esto a su vez implicaba que el gas en esta galaxia debía hallarse a temperaturas más bien bajas, entre -90 y -180ºC.

Adicionalmente se encontraron también varias líneas correspondientes a metales que revelaron la cuantía de varios elementos químicos, por ejemplo, de la abundancia de nitrógeno observada se dedujo que este elemento tuvo que producirse en las últimas etapas de la vida de estrellas de 4 a 8 masas solares. La formación estelar tuvo lugar pues al menos entre 200 y 500 millones de años antes de la época en que observamos la galaxia, cuando habían transcurrido 1000 millones de años desde el nacimiento del Universo. Este lapso de tiempo, de 200 a 500 millones de años es necesario para que una estrella con la masa anterior sintetice y expela al medio interestelar nitrógeno en cantidad simular al observado. Si la estrella atravesó por una fase de intenso nacimiento estelar, ahora, al tiempo de observarla, aparenta un estado quiescente.

La observación del medio interestelar de una galaxia a muy alto desplazamiento al rojo desde el VLT, en particular utilizando GRBs como faros que lo iluminen, impulsará notablemente este campo de investigación en el futuro. Utilizando carbono en vez de hidrógeno los mismos autores obtuvieron la temperatura de la radiación de fondo cósmico de microondas en esa época. Esta radiación fósil fue emitida como consecuencia directa del Big-Bang, cuando el Universo alcanzó los 300 000 años de edad y una temperatura de 3000 K. A medida que continuó la expansión se fue enfriando y descendió hasta 3 K (-270ºC) en nuestros días. A los 1.500 millones de años, época en que observamos la galaxia referida con anterioridad, la temperatura del Universo -tal como mostraron estas observaciones- era de 14 K (-259ºC), lo cual se encuentra en perfecto acuerdo con la teoría del Big-Bang.

Los astrónomos midieron también las líneas de hidrógeno molecular en los quasars Q 0405-443 y Q 0347-383 y todo el conjunto de datos ofrecía la posibilidad de comparar la proporción de la masa de un protón con la de un electrón en el hidrógeno molecular de hoy día con la que pudo ser hace 12 000 millones de años. Para ello se utilizan medidas de las líneas espectrales de moléculas de hidrógeno en laboratorio para cotejarlas con las mismas líneas en el espectro de los quasars observados. Estas medidas muestran que la proporción entre la masa del protón y el electrón podrían haber cambiado, pasando a ser un 0.002% más pequeña hace 12 000 millones de años. Se trata de un cambio ínfimo en apariencia pero de consecuencias transcendentales para la física actual. Los científicos insisten, sin embargo, en que estos resultados suponen una indicación, pero no una prueba y deberán ser confirmados con medidas adicionales, tanto astronómicas como de laboratorio.

La relación de masas protón/electrón es una constante fundamental de la naturaleza. Esta constante es adimensional (independiente de cualquier sistema de unidades). Su valor actual es Mp/me = 1836.1526726. Los mismos autores investigaron ya sobre la posible variación durante el transcurso del tiempo cosmológico de la constante de estructura fina o alpha, que combina la carga eléctrica del electrón, la constante de Planck y la velocidad de la luz y determina la intensidad de la interacción entre partículas cargadas y campos electromagnéticos. Ante la sospecha de que podría haber sufrido un leve incremento con el tiempo, se recurrió al espectrógrafo UVES, en la unidad de 8.2 metros Kueyen del VLT (Very Large Telescope), cuyos datos no mostraban evidencias de cambio en esta constante fundamental.

Más información:
http://www.eso.org/outreach/press-rel/pr-2006/pr-16-06.html


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