Capítulo 9: La edad oscura y las primeras estrellas

Noche 97: Fotografías del lado nocturno

El día 97, desde tierra habían pedido a la tripulación fotografías nocturnas de la Tierra. Los científicos de tierra usan esas imágenes para estudiar muchas cosas: el resplandor de los pueblos y las carreteras, cómo se extienden las luces a lo largo de los años, las tormentas y la forma de las costas en la oscuridad. La tarea parece sencilla. En la práctica, es uno de los trabajos más difíciles de la estación, porque la estación se mueve muy deprisa.

A unos 28 000 kilómetros por hora, el suelo de abajo pasa deprisa. Una fotografía del lado nocturno necesita una exposición larga, porque hay muy poca luz, pero una exposición larga sale movida cuando la cámara y el suelo se desplazan uno respecto del otro. Así que Noor usó un soporte de cámara que giraba despacio para seguir el suelo, y revisaba cada imagen en la pantalla antes de tomar la siguiente. Ade flotaba a su lado, leyendo las horas a las que la estación pasaría sobre cada zona que habían pedido los científicos.

Entre las fotografías previstas, vieron cosas que ningún horario podía prever. A lo lejos, hacia un lado, una tormenta destellaba con relámpagos, una nube iluminándose tras otra, como lámparas que se encienden y se apagan en una casa grande y oscura. Cerca del borde de la Tierra, una cortina verde de aurora ondulaba despacio, con un leve toque rojo en lo alto. Por encima de todo, a lo largo de la curva del planeta, había una franja fina y pálida de aire luminoso y, más arriba, el cielo negro y las estrellas.

Noor sabía lo que estaba viendo. La aurora aparece cuando partículas diminutas que salen del Sol son guiadas por el magnetismo de la Tierra hacia las regiones cercanas a los polos, donde hacen brillar el aire fino de las capas altas, un poco como el gas de un letrero luminoso. La franja pálida a lo largo del borde del planeta era el propio aire, que devolvía, muy débilmente, parte de la energía que había recogido de la luz del Sol durante el día.

Cuando la estación volvió a la luz del Sol, Noor guardó la cámara y repasó las imágenes. La mayoría eran buenas. Unas pocas habían salido movidas, y las marcó para que los científicos lo supieran. Luego se quedó un momento con la última imagen en la pantalla: una Tierra oscura, unas pocas luces dispersas y, arriba, oscuridad completa. Le recordó algo que había leído sobre el universo después de la luz más antigua, una época en que todavía no había ni una sola estrella.

Esa noche, en lugar de responder a una pregunta de Sami, le hizo una. Le preguntó cuál era el lugar más oscuro de su ruta nocturna. Él respondió que era una carretera larga entre campos, sin pueblos ni farolas, donde a veces apagaba la radio y conducía en silencio. Noor le dijo que el universo tuvo una vez una oscuridad así, pero mucho más larga, que duró millones de años. Y que las primeras luces que aparecieron en ella fueron las primeras estrellas.

Después de la luz más antigua

Una noche anterior vimos cómo se despejaba la niebla unos 380 000 años después del comienzo. Se formaron los átomos y se liberó la luz más antigua. Al principio, esa luz era cálida y brillante, el resplandor de algo a una temperatura de unos pocos miles de grados. Si hubieras podido estar allí, todo el cielo habría brillado con una suave luz anaranjada. Pero el universo siguió expandiéndose, y la luz siguió estirándose. A lo largo de algunos millones de años, sus ondas se hicieron más largas de lo que el ojo puede ver. El cielo, para los ojos humanos, se oscureció.

Todavía no había estrellas que sustituyeran esa luz. El universo estaba lleno de gas, casi todo hidrógeno y helio, los elementos sencillos de los primeros minutos. Estaba repartido de forma bastante uniforme por el espacio, aunque no perfectamente uniforme, por las ondulaciones diminutas que vimos en la luz más antigua. Y había algo más, que conoceremos como es debido la próxima noche: una gran cantidad de materia invisible, llamada materia oscura, que no brilla pero sí atrae con su gravedad.

¿Cuánto duró la edad oscura? Empezó cuando la luz más antigua dejó de ser visible y terminó cuando las primeras estrellas empezaron a brillar. Como las primeras estrellas probablemente se formaron en los primeros cientos de millones de años, la edad oscura probablemente duró cien millones de años o más. Nadie sabe su duración exacta. En cualquier caso, fue una noche muy larga, muchísimo más larga que toda la historia humana, muchas veces repetida.

Los astrónomos llaman a este largo periodo la edad oscura cósmica. No era oscura porque estuviera vacía. Era oscura porque nada en ella brillaba todavía. Imagina un gran teatro después de la última función de la noche. El público se ha ido, las luces están apagadas y el escenario está en silencio. Pero el edificio no está vacío. Las butacas, el telón y el escenario siguen ahí, esperando la siguiente función.

Durante la edad oscura, la gravedad trabajaba despacio. En los lugares donde el universo era muy ligeramente más denso, la gravedad tiraba un poco más fuerte. Esos lugares atraían más materia, lo que los hacía aún más densos, lo que hacía su atracción más fuerte. Este es el trabajo paciente de la gravedad: las pequeñas diferencias se hacen más grandes con el tiempo. La materia oscura invisible se reunió primero en grumos, y el gas corriente cayó en esos grumos, como el agua que corre hacia los hoyos del terreno.

A medida que el gas se reunía y se hacía más denso, también se calentaba en su centro, del mismo modo que el aire se calienta en una bomba de bicicleta cuando lo comprimes. Durante mucho tiempo, los grumos de gas crecieron sin convertirse en estrellas. Después, en los lugares más densos, el gas del centro llegó a estar tan caliente y tan apretado que empezó un nuevo tipo de proceso. Los núcleos de hidrógeno empezaron a unirse para formar helio, desprendiendo energía, en un proceso llamado fusión, que exploraremos una noche más adelante. Cuando eso ocurrió, nació una estrella. Se había encendido la primera luz después de la edad oscura.

Las primeras estrellas

¿Cuándo aparecieron las primeras estrellas? Los astrónomos creen que probablemente se formaron en los primeros cientos de millones de años después del comienzo. No se sabe el momento exacto, y puede que fuera distinto en distintos lugares, ya que los grumos más densos habrían formado estrellas antes. Comparados con la edad total del universo, unos 13 800 millones de años, unos cientos de millones de años es bastante pronto. En la historia de una larga jornada de trabajo que contaremos la última noche, es algún momento de la primera media hora después de medianoche.

Las primeras estrellas eran probablemente muy distintas del Sol. Estaban hechas casi por completo de hidrógeno y helio, porque todavía no había elementos más pesados. Los elementos más pesados ayudan a las nubes de gas a enfriarse y a romperse en trozos más pequeños. Sin ellos, las nubes de gas del universo joven probablemente se mantuvieron más calientes y se contrajeron en grumos mucho más grandes. Por eso muchos astrónomos creen que las primeras estrellas eran a menudo muy grandes, quizá muchas veces más pesadas que el Sol.

Las estrellas grandes viven deprisa. Una estrella mucho más pesada que el Sol gasta su combustible mucho más rápido que una pequeña, porque su centro es mucho más caliente y denso. El Sol lleva brillando unos 4600 millones de años y solo va más o menos por la mitad de su vida. Las más grandes de las primeras estrellas quizá vivieron solo unos pocos millones de años. Después terminaron, probablemente en grandes explosiones, y esas explosiones esparcieron por el espacio los primeros elementos más pesados. Es el principio de una historia que seguiremos en noches posteriores.

Aquí es importante ser honestos. Mucho de lo que hemos dicho sobre las primeras estrellas procede de cálculos cuidadosos y de modelos por ordenador, no de la observación directa. Los astrónomos tienen bastante confianza en que las primeras estrellas estaban hechas de hidrógeno y helio y en que muchas eran grandes. Pero lo grandes que eran, cuántas había y cómo se formaron exactamente se sigue estudiando. Distintos modelos dan respuestas algo distintas. Nadie ha visto todavía con claridad una de las primerísimas estrellas y ha podido estar seguro de lo que era.

Las primeras estrellas tuvieron además un efecto precioso que los astrónomos pueden estudiar. Las estrellas grandes y calientes emiten muchísima luz intensa, gran parte de ella ultravioleta, el tipo de luz que quema la piel en un día de sol. Esta luz intensa podía arrancar electrones a los átomos de hidrógeno del gas que rodeaba las estrellas. Poco a poco, alrededor de cada estrella temprana y de cada galaxia temprana, crecieron burbujas de gas con electrones libres. Las burbujas se extendieron y se unieron. Cuando el universo tenía unos mil millones de años, la mayor parte del gas entre las galaxias había cambiado de esta forma. La luz de las primeras estrellas había despejado los últimos restos de oscuridad.

Las personas que miraron atrás

¿Cómo buscan los astrónomos las primeras estrellas y galaxias? La respuesta nos lleva a las primeras noches de este libro. La luz tarda tiempo en viajar. Cuanto más lejos está algo, más tiempo ha viajado su luz para llegarnos, así que más atrás en el tiempo lo vemos. Para ver las galaxias más tempranas, los astrónomos tienen que mirar las más lejanas. Son extremadamente débiles, así que necesitan telescopios muy grandes y muy sensibles.

En 1990 se lanzó a una órbita alrededor de la Tierra un telescopio situado por encima del aire que emborrona la vista desde el suelo. Se llama telescopio espacial Hubble, por el astrónomo Edwin Hubble, a quien conocimos en noches anteriores. A mediados de los años noventa, su equipo hizo algo que al principio parecía casi un derroche. Apuntaron el telescopio durante muchos días a un trocito de cielo que parecía completamente vacío, un trozo muchísimo más pequeño que la Luna llena. Cuando sumaron todas las imágenes, el trozo vacío estaba lleno de galaxias, miles de ellas, muchas tan lejanas que su luz había viajado durante miles de millones de años.

Pero incluso ese telescopio tenía un límite. Como vimos la noche de las galaxias que se separan, la luz de las galaxias muy lejanas se estira con la expansión del espacio. La luz que salió de las primeras galaxias como luz azul o ultravioleta llega hoy como luz infrarroja, con ondas demasiado largas para nuestros ojos. La luz infrarroja es la que notamos como calor, por ejemplo la de una estufa. Para ver bien las galaxias más tempranas, los astrónomos necesitaban un telescopio construido especialmente para la luz infrarroja.

Ese telescopio es el telescopio espacial James Webb. Se lanzó en diciembre de 2021, después de muchos años de planificación y construcción por parte de un gran número de ingenieros, técnicos y científicos. Su gran espejo era demasiado grande para caber dentro de un cohete, así que se hizo con muchas piezas que se desplegaron en el espacio, como una flor que se abre. Como el telescopio busca un calor débil, tiene que mantenerse extremadamente frío, así que lleva un gran escudo que bloquea el calor del Sol. Y se envió mucho más lejos de la Tierra que la Luna, a un lugar tranquilo donde el Sol, la Tierra y la Luna se quedan siempre del mismo lado, detrás del escudo.

El propio viaje fue un largo trabajo minucioso. El telescopio tardó alrededor de un mes en llegar a su lugar, y durante ese tiempo se desplegó paso a paso: el escudo, las piezas del espejo y muchas partes más pequeñas. Cada paso se había probado en tierra, y cada uno tenía que funcionar en el espacio, donde nadie podía ir a repararlo. Muchas de las personas que lo habían construido siguieron esas semanas muy de cerca, tras años de su vida laboral dedicados a esta única máquina.

Desde que empezó a trabajar, el telescopio Webb ha encontrado galaxias cuya luz salió de ellas cuando el universo tenía solo unos cientos de millones de años. Algunas de estas galaxias tempranas son más brillantes y están más desarrolladas de lo que muchos astrónomos esperaban. Eso ha abierto animadas discusiones sobre lo deprisa que crecieron las primeras galaxias. Esas discusiones siguen en marcha. Es un buen ejemplo de que un instrumento nuevo no solo responde a preguntas antiguas. También plantea preguntas nuevas.

Todavía buscando las primerísimas

Ni siquiera el telescopio Webb ha visto todavía con claridad las primerísimas estrellas por sí solas. Las galaxias más tempranas que ve ya contienen muchas estrellas, y algunas de esas estrellas quizá ya contengan elementos más pesados formados por estrellas anteriores. Las primerísimas estrellas, hechas solo de hidrógeno y helio, son probablemente demasiado débiles y están demasiado lejos para verlas una a una. Los astrónomos esperan encontrar señales de ellas de otras maneras, por ejemplo en la luz de las galaxias más tempranas o en los destellos brillantes de sus explosiones.

También hay otras formas de buscar. El gas de hidrógeno de la edad oscura emitía una señal de radio propia, muy débil. Varios grupos de científicos están construyendo instrumentos de radio para intentar detectarla. Es un trabajo muy difícil, porque la señal es muy débil y el ruido de radio de la Tierra y de nuestra propia galaxia es muy fuerte. Se parece un poco a lo que hicieron los ingenieros de la luz más antigua, que intentaban oír una voz baja en una habitación llena de siseo. Nadie ha medido todavía esta señal de un modo en que todos estén de acuerdo.

Los astrónomos también estudian estrellas antiguas cerca de casa, en nuestra propia galaxia. Algunas estrellas de la Vía Láctea son muy antiguas y contienen solo cantidades diminutas de elementos más pesados. No son las primerísimas estrellas, pero quizá sean sus hijas o sus nietas, formadas a partir de gas que solo había sido enriquecido por una o unas pocas generaciones anteriores de estrellas. Estudiando las pequeñas cantidades de elementos más pesados de estas estrellas antiguas, los astrónomos pueden aprender algo sobre las estrellas que vinieron antes. Es un poco como conocer a los bisabuelos mirando el parecido familiar en sus descendientes.

Así que la búsqueda de las primeras estrellas se hace en muchos lugares a la vez: con telescopios en el espacio que miran muy lejos, con instrumentos de radio que escuchan la edad oscura y con telescopios en tierra que estudian las estrellas antiguas cercanas. Cada método da una parte de la imagen. Ninguno da todavía la imagen completa. Así funciona gran parte de la ciencia, a través de muchos trabajos pequeños y cuidadosos, hechos por muchas personas a lo largo de muchos años, que poco a poco van encajando.

Antes de dormir

Antes de dormir, Noor volvió a mirar por la ventana. La estación estaba otra vez sobre el lado nocturno, y esta vez apagó la luz de la pequeña sala redonda para que sus ojos se acostumbraran. Al cabo de unos minutos aparecieron más estrellas, y luego más, hasta que el cielo negro estuvo lleno de ellas. Desde la estación no titilaban. Brillaban fijas, cada una un sol, algunas cerca y otras lejos.

Ade entró flotando en silencio y miró a su lado un rato. Dijo que cada vez que veía tantas estrellas le costaba creer que alguna vez no hubiera habido ninguna. Noor dijo que a ella le costaba creer que alguien lo hubiera averiguado. Luego los dos volvieron a sus cabinas, porque la siguiente jornada de trabajo empezaría temprano.

Escribió a Sami: «La próxima vez que recorras tu carretera oscura, piensa en esto. Durante cien millones de años o más, todo el universo estuvo más oscuro que esa carretera. Luego, una a una, se encendieron las primeras estrellas, como las primeras luces de un pueblo al anochecer». Sami respondió que en su carretera oscura la primera luz que suele ver es la gasolinera donde compra café, y que a partir de ahora pensaría en ella como en una estrella.

Después de un largo día de trabajo, quizá tú también vuelvas a casa a pie o conduciendo en la oscuridad. Cuando aparece delante de ti la primera luz de tu calle o de tu casa, es un consuelo pequeño y corriente. El universo tuvo su propia versión de ese momento, hace mucho tiempo, cuando las primeras estrellas empezaron a brillar en la oscuridad. Todo lo que vino después, las galaxias, el Sol y la Tierra, creció a partir de ese comienzo.

Malentendidos frecuentes

Mucha gente cree que la edad oscura cósmica era oscura porque el universo estaba vacío. No estaba vacío en absoluto. Estaba lleno de gas de hidrógeno y helio, lleno de materia oscura invisible y todavía lleno de la luz más antigua, que para entonces se había estirado más allá de lo que los ojos podían ver. La edad oscura era oscura porque todavía nada brillaba. Fue también una época de mucha actividad, aunque silenciosa, porque la gravedad iba reuniendo poco a poco la materia en los grumos donde se formarían las primeras estrellas.

Mucha gente imagina también que las primeras estrellas eran como el Sol. Probablemente eran muy distintas. Estaban hechas casi solo de hidrógeno y helio, sin los elementos más pesados que contiene el Sol. Muchas eran probablemente mucho más grandes y calientes que el Sol, y vivieron vidas mucho más cortas. El Sol es una estrella mucho más tardía. Como veremos una noche más adelante, se formó a partir de gas que ya había sido enriquecido por muchas generaciones de estrellas anteriores.

Por último, algunas personas creen que, si encuentran un lugar muy oscuro y miran hacia arriba, pueden ver las primeras estrellas con sus propios ojos. Por desgracia, no pueden. Las primeras estrellas terminaron hace mucho tiempo, y su luz, si es que llega hasta nosotros, es demasiado débil y está demasiado estirada para verla sin los telescopios más grandes, y ni siquiera esos las han visto todavía con claridad. Las estrellas que ves en una noche oscura están mucho más cerca y son mucho más jóvenes, y casi todas están dentro de nuestra propia galaxia. Pero cada una de ellas forma parte de la misma larga historia. En la próxima noche veremos cómo los primeros grupos de estrellas crecieron hasta formar galaxias, y cómo algo invisible les ayudó a crecer.