ESA : First stars formed even later than previously thought .- Las primeras estrellas se formaron incluso más tarde lo que se pensaba.....

http://sci.esa.int/planck/58193-first-stars-formed-even-later-than-previously-thought/

31 August 2016

ESA's Planck satellite has revealed that the first stars in the Universe started forming later than previous observations of the Cosmic Microwave Background indicated. This new analysis also shows that these stars were the only sources needed to account for reionising atoms in the cosmos, having completed half of this process when the Universe had reached an age of 700 million years.

 ESA's Planck satellite ; ha puesto de manifiesto que las primeras estrellas del Universo comenzaron a formarse más tarde de las observaciones anteriores del : the Cosmic Microwave Background indicated. Este nuevo análisis también muestra que estas estrellas eran las únicas fuentes necesarias para dar cuenta de la  reionización  de los átomos en el cosmos, después de haber completado la mitad de este proceso cuando el Universo había alcanzado una edad de 700 millones de años.........

Cosmic reionisation. Credit: ESA – C. Carreau

With the multitude of stars and galaxies that populate the present Universe, it's hard to imagine how different our 13.8 billion year cosmos was when it was only a few seconds old. At that early phase, it was a hot, dense primordial soup of particles, mostly electrons, protons, neutrinos, and photons – the particles of light.

In such a dense environment the Universe appeared like an 'opaque' fog, as light particles could not travel any significant distance before colliding with electrons.

As the cosmos expanded, the Universe grew cooler and more rarefied and, after about 380 000 years, finally became 'transparent'. By then, particle collisions were extremely sporadic and photons could travel freely across the cosmos.

History of the Universe. Credit: ESA

Today, telescopes like Planck can observe this fossil light across the entire sky as the Cosmic Microwave Background, or CMB. Its distribution on the sky reveals tiny fluctuations that contain a wealth of information about the history, composition and geometry of the Universe.

The release of the CMB happened at the time when electrons and protons joined to form hydrogen atoms. This is the first moment in the history of the cosmos when matter was in an electrically neutral state.

After that, a few hundred million years passed before these atoms could assemble and eventually give rise to the Universe's first generation of stars.

As these first stars came to life, they filled their surroundings with light, which subsequently split neutral atoms apart, turning them back into their constituent particles: electrons and protons. Scientists refer to this as the 'epoch of reionisation'. It did not take long for most material in the Universe to become completely ionised, and – except in a very few, isolated places – it has been like that ever since.

Observations of very distant galaxies hosting supermassive black holes indicate that the Universe had been completely reionised by the time it was about 900 million years old. The starting point of this process, however, is much harder to determine and has been a hotly debated topic in recent years.

"The CMB can tell us when the epoch of reionisation started and, in turn, when the first stars formed in the Universe," explains Jan Tauber, Planck project scientist at ESA.

To make this measurement, scientists exploit the fact that a fraction of the CMB is polarised: part of the light vibrates in a preferred direction. This results from CMB photons bouncing off electrons – something that happened very frequently in the primordial soup, before the CMB was released, and then again later, after reionisation, when light from the first stars brought free electrons back onto the cosmic stage.

"It is in the tiny fluctuations of the CMB polarisation that we can see the influence of the reionisation process and deduce when it began," adds Tauber.

 

Polarisation of the Cosmic Microwave Background. Credit: ESA and the Planck Collaboration

A first estimate of the epoch of reionisation came in 2003 from NASA's Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), suggesting that this process might have started early in cosmic history, when the Universe was only a couple of hundred million years old. This result was problematic, because there is no evidence that any stars had formed by then, which would mean postulating the existence of other, exotic sources that could have caused the reionisation at that time.

This first estimate was soon to be corrected, as subsequent data from WMAP pushed the starting time to later epochs, indicating that the Universe had not been significantly reionised until at least some 450 million years into its history.

This eased, but did not completely solve the puzzle: although the earliest of the first stars have been observed to be present already when the Universe was 300 to 400 million years old, it remained unclear whether these stars were the main culprits for reionising fully the cosmos or whether additional, more exotic sources must have played a role too.

In 2015, the Planck Collaboration provided new data to tackle the problem, moving the reionisation epoch even later in cosmic history and revealing that this process was about half-way through when the Universe was around 550 million years old. The result was based on Planck's first all-sky maps of the CMB polarisation, obtained with its Low-Frequency Instrument (LFI).

Now, a new analysis of data from Planck's other detector, the High-Frequency Instrument (HFI), which is more sensitive to this phenomenon than any other so far, shows that reionisation started even later – much later than any previous data have suggested.

"The highly sensitive measurements from HFI have clearly demonstrated that reionisation was a very quick process, starting fairly late in cosmic history and having half-reionised the Universe by the time it was about 700 million years old," says Jean-Loup Puget from Institut d'Astrophysique Spatiale in Orsay, France, principal investigator of Planck's HFI.

"These results are now helping us to model the beginning of the reionisation phase."

"We have also confirmed that no other agents are needed, besides the first stars, to reionise the Universe," adds Matthieu Tristram, a Planck Collaboration scientist at Laboratoire de l'Accélérateur Linéaire in Orsay, France.

The new study locates the formation of the first stars much later than previously thought on the cosmic timeline, suggesting that the first generation of galaxies are well within the observational reach of future astronomical facilities, and possibly even some current ones.

In fact, it is likely that some of the very first galaxies have already been detected with long exposures, such as the Hubble Ultra Deep Field observed with the NASA/ESA Hubble Space Telescope, and it will be easier than expected to catch many more with future observatories such as the NASA/ESA/CSA James Webb Space Telescope.

Notes for Editors

'Planck intermediate results. XLVII. Planck constraints on reionization history'
and
'Planck intermediate results. XLVI. Reduction of large-scale systematic effects in HFI polarization maps and estimation of the reionization optical depth'
by the Planck Collaboration are published in Astronomy and Astrophysics.

More about Planck

Launched in 2009, Planck was designed to map the sky in nine frequencies using two state-of-the-art instruments: the Low Frequency Instrument (LFI), which includes three frequency bands in the range 30-70 GHz, and the High Frequency Instrument (HFI), which includes six frequency bands in the range 100-857 GHz.

HFI completed its survey in January 2012, while LFI continued to make science observations until 3 October 2013, before being switched off on 19 October 2013. Seven of Planck's nine frequency channels were equipped with polarisation-sensitive detectors.

The Planck Scientific Collaboration consists of all the scientists who have contributed to the development of the mission, and who participate in the scientific exploitation of the data during the proprietary period.

These scientists are members of one or more of four consortia: the LFI Consortium, the HFI Consortium, the DK-Planck Consortium, and ESA's Planck Science Office. The two European-led Planck Data Processing Centres are located in Paris, France and Trieste, Italy.

The LFI consortium is led by N. Mandolesi, Università degli Studi di Ferrara, Italy (deputy PI: M. Bersanelli, Università degli Studi di Milano, Italy), and was responsible for the development and operation of LFI. The HFI consortium is led by J.L. Puget, Institut d'Astrophysique Spatiale in Orsay (CNRS/Université Paris-Sud), France (deputy PI: F. Bouchet, Institut d'Astrophysique de Paris (CNRS/UPMC), France), and was responsible for the development and operation of HFI.

For further information, please contact:

Jan Tauber
ESA Planck Project Scientist
Scientific Support Office
Directorate of Science
European Space Agency
Email: jan.tauberesa.int
Phone: +31-71-565-5342
Jean-Loup Puget
Principal Investigator, High Frequency Instrument
Institut d'Astrophysique Spatiale
Orsay, France
Email: jean-loup.pugetias.u-psud.fr
Phone: +33-169858665
Matthieu Tristram
CNRS - IN2P3
Laboratoire de l'Accélérateur Linéaire
Université Paris-Sud 11
Orsay, France
Email: tristramlal.in2p3.fr
Phone: +33-164468388
                                                                                                                                         

Versión en español :

Reionización cósmica. Créditos: ESA – C. Carreau

Las primeras estrellas se formaron aún más tarde de lo que se creía

2 septiembre 2016 El satélite Planck de la ESA ha revelado que las primeras estrellas del Universo comenzaron a formarse más tarde de lo que indicaban las observaciones de la radiación cósmica de fondo realizadas hasta el momento. Este nuevo análisis también muestra que estas estrellas fueron las únicas responsables de la reionización de los átomos del cosmos y que, cuando el Universo llegó a los 700 millones de años de edad, ya habían completado la mitad del proceso. 
Con la multitud de estrellas y galaxias que pueblan el Universo actual, cuesta imaginar lo diferente que nuestro cosmos, de 13.500 años de edad, sería en sus albores. En esa fase más temprana encontramos el caldo primigenio, formado principalmente por electrones, protones, neutrinos y fotones.
En ese entorno denso y caliente, el Universo se asemejaba a una niebla ‘opaca’, ya que los fotones, o partículas de luz, chocaban con los electrones antes de poder recorrer distancia alguna.
A medida que el cosmos fue expandiéndose, el Universo, cada vez más frío y menos denso, acabó volviéndose ‘transparente’ al cabo de 380.000 años. Para entonces, las colisiones entre partículas eran esporádicas y los fotones podían atravesar libremente el cosmos.
 

Historia del Universo. Créditos: ESA

Hoy, telescopios como Planck pueden observar esta luz fósil en forma de radiación cósmica de fondo. Su distribución en el firmamento presenta minúsculas fluctuaciones que revelan abundante información sobre la historia, la composición y la geometría del Universo.
La radiación cósmica de fondo se liberó en el momento en que los electrones y los protones se unieron para formar átomos de hidrógeno. Ese fue el primer momento en la historia del cosmos en que la materia se encontró en estado eléctricamente neutro.
A partir de él, tuvieron que pasar varios cientos de millones de años hasta que esos átomos pudieron combinarse y dar lugar a la primera generación de estrellas del Universo.
Al nacer estas primeras estrellas, llenaron el espacio circundante de luz, lo que a su vez dividió los átomos neutros, que volvieron a separarse en electrones y protones. Los científicos denominan a esta fase la ‘era de la reionización’. La mayoría de la materia del Universo tardó poco en volver a estar completamente ionizada y, salvo en escasos puntos aislados, se ha mantenido así.
Las observaciones de galaxias muy lejanas con agujeros negros supermasivos muestran que, al cabo de unos 900 millones de años de edad, el Universo ya estaba totalmente reionizado. En cambio, el punto de partida de este proceso es mucho más difícil de determinar y ha sido objeto de un intenso debate en los últimos años.
“La radiación cósmica de fondo puede decirnos cuándo comenzó la era de la reionización y, en consecuencia, cuándo se formaron las primeras estrellas del Universo”, explica Jan Tauber, científico del proyecto Planck para la ESA.
Para realizar esta medida, los científicos aprovechan que una parte de la radiación cósmica de fondo está polarizada, por lo que la luz vibra en una dirección preferente. Esto se debe a que los fotones de la radiación de fondo rebotan en los electrones, algo que fue muy frecuente en el caldo primigenio, antes de que esta radiación fuera liberada, así como después de la reionización, cuando la luz de las primeras estrellas devolvió a los electrones libres a su fase cósmica.
“Gracias precisamente a las mínimas fluctuaciones en la polarización de la radiación cósmica de fondo, podemos ver la influencia del proceso de reionización y deducir cuándo comenzó”, añade Tauber.

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Polarización de la radiación cósmica de fondo. Créditos: ESA y Planck Collaboration

En 2003, la sonda WMAP de la NASA llevó a cabo las primeras estimaciones de la reionización, sugiriendo que este proceso podría haber comenzado en una fase temprana de la historia del cosmos, cuando el Universo apenas tenía un par de cientos de millones de años de edad. Este resultado generaba dudas, ya que no había pruebas de que para entonces se hubiera formado estrella alguna, lo que obligaba a plantear la existencia de otras fuentes exóticas que hubieran causado la reionización al mismo tiempo.
Esta primera estimación pronto fue corregida, ya que los siguientes datos de WMAP trasladaban la fecha inicial a épocas posteriores, lo que indicaba que el Universo no habría experimentado una reionización significativa hasta, como mínimo, los 450 millones de años de edad.
Aunque no resolvía el problema, esta hipótesis daba algunas pistas para su solución: aunque se ha observado que las primeras estrellas ya estaban presentes cuando el Universo tenía entre 300 y 400 años de edad, seguía sin saberse con certeza si eran las responsables de la completa reionización del cosmos o si también habían contribuido otras fuentes.
En 2015, la Colaboración Planck ofreció nuevos datos que abordaban el problema, y que atrasaban aún más la era de la reionización en la historia cósmica, revelando que este proceso se produjo hacia la mitad, cuando el Universo tenía unos 550 millones de años. El resultado se basaba en los primeros mapas de la polarización de la radiación cósmica de fondo que abarcan la totalidad del firmamento, elaborados a partir de datos del instrumento de baja frecuencia (LFI) de Planck.
Ahora, un nuevo análisis procedente del instrumento de alta frecuencia (HFI), el otro detector de Planck y el más sensible a este fenómeno, muestra que la reionización comenzó aún más tarde... Mucho más tarde de lo que sugerían los datos anteriores.
“Las medidas de alta sensibilidad del HFI han demostrado claramente que la reionización fue un proceso muy rápido, que comenzó relativamente tarde en la historia del cosmos y que, a los 700 millones de años, ya había reionizado casi la mitad del Universo —afirma Jean-Loup Puget, del Instituto de Astrofísica Espacial de Orsay, Francia, y principal investigador del instrumento de alta frecuencia de Planck.— Estos resultados ahora nos están ayudando a generar un modelo del comienzo de la fase de reionización”.
Matthieu Tristram, científico de la Colaboración Planck en el Laboratorio del Acelerador Lineal (LAL) en Orsay, Francia, añade: “También hemos confirmado que, más allá de las primeras estrellas, en la reionización del Universo no intervinieron otros agentes”.
El nuevo estudio ubica la formación de las primeras estrellas en un punto muy posterior de lo que se creía anteriormente en la línea temporal del cosmos. Esto implica que la primera generación de galaxias estaría al alcance de las observaciones de los futuros instrumentos astronómicos, e incluso de algunos de los actuales.
De hecho, es probable que algunas de las galaxias primigenias ya hayan sido detectadas en exposiciones largas, como el campo ultraprofundo del Hubble (HUDF) observado con el telescopio espacial Hubble de la NASA/ESA. Además, también resultará más sencillo detectar muchas más galaxias con instrumentos futuros, como el telescopio espacial James Webb de la NASA/ESA/CSA.

Nota para los editores

Los artículos ‘Planck intermediate results. XLVII. Planck constraints on reionization history’
y
 ‘Planck intermediate results. XLVI. Reduction of large-scale systematic effects in HFI polarization maps and estimation of the reionization optical depth’,
de la Colaboración Planck, están publicados en Astronomy and Astrophysics.

Información adicional sobre Planck

Lanzado en 2009, el satélite Planck fue diseñado para cartografiar el firmamento a nueve frecuencias utilizando dos instrumentos punteros: el instrumento de baja frecuencia (LFI), que incluye tres bandas de frecuencia en el rango de 30 a 70 GHz, y el instrumento de alta frecuencia (HFI), que incluye seis bandas de frecuencia en el rango de entre 100 y 857 GHz.
El HFI finalizó su trabajo en enero de 2012, mientras que el LFI continuó realizando observaciones científicas hasta el 3 de octubre de 2013, antes de desconectarse el 19 de octubre de 2013. Siete de los nueve canales de frecuencia de Planck estaban equipados con detectores sensibles a la polarización.
La Colaboración Científica de Planck está constituida por todos los científicos que han contribuido al desarrollo de la misión y que participan en la explotación científica de los datos durante el periodo de propiedad.
Estos científicos son miembros de uno o varios de los cuatro consorcios colaboradores: el Consorcio LFI, el Consorcio HFI, el Consorcio DK-Planck y la Oficina de Ciencia de Planck de la ESA Los dos centros de procesamiento de datos de Planck europeos están en París, Francia, y Trieste, Italia.
El Consorcio LFI  está dirigido por N. Mandolesi, de la Universidad de Ferrara, Italia (investigador principal adjunto: M. Bersanelli, Universidad de Milán, Italia), y fue responsable del desarrollo y el funcionamiento del LFI. El Consorcio HFI está dirigido por J. L. Puget, del Instituto de Astrofísica Espacial de Orsay (CNRS/Université Paris-Sud), Francia (investigador principal adjunto: F. Bouchet, Instituto de Astrofísica de París (CNRS/UPMC), Francia), y fue responsable del desarrollo y el funcionamiento del HFI.

Para más información:

Jan Tauber
ESA Planck Project Scientist
Scientific Support Office
Directorate of Science
European Space Agency
Correo electrónico: jan.tauberesa.int
Teléfono: +31-71-565-5342
Jean-Loup Puget
Principal Investigator, High Frequency Instrument
Institut d'Astrophysique Spatiale
Orsay, Francia
Correo electrónico: jean-loup.pugetias.u-psud.fr
Teléfono: +33-169858665
Matthieu Tristram
CNRS - IN2P3
Laboratoire de l'Accélérateur Linéaire
Université Paris-Sud 11
Orsay, Francia
Correo electrónico: tristramlal.in2p3.fr
Teléfono: +33-164468388

ESA
Guillermo Gonzalo Sánchez Achutegui
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