El universo primitivo crujió con ráfagas de formación de estrellas, muestra el telescopio Webb

Uno de los programas más grandes en el primer año de ciencia de Webb es el JWST Advanced Deep Extragalactic Survey, o JADES, que dedicará alrededor de 32 días de tiempo de telescopio para descubrir y caracterizar galaxias distantes y tenues. Si bien todavía están llegando datos, JADES ya ha descubierto cientos de galaxias que existieron cuando el universo tenía menos de 600 millones de años. El equipo internacional, que incluye investigadores de la Universidad de Cambridge, también ha identificado galaxias que brillan con una multitud de estrellas jóvenes y calientes.

El grupo de investigación extragaláctica del Laboratorio Cavendish, codirigido por el profesor Roberto Maiolino y el Dr. Sandro Tacchella, está desempeñando un papel de liderazgo en JADES, que es una asociación entre el equipo científico de NIRCam, el generador de imágenes principal de JWST, y NIRSpec, el espectrógrafo principal de JWST.

En el otoño de 2022, JADES tomó imágenes profundas y espectroscopia dentro y alrededor del icónico campo ultraprofundo del Hubble. La imagen de JADES es profunda, se extiende más en el infrarrojo y cubre un área más amplia que cualquier imagen anterior con el Telescopio Espacial Hubble. Los resultados basados ​​en estos datos, que aún no han sido revisados ​​por pares, se informan en la reunión 242 de la Sociedad Astronómica Estadounidense en Albuquerque, Nuevo México.

“Con JADES, queremos responder muchas preguntas, como: ¿Cómo se ensamblaron las primeras galaxias? ¿Qué tan rápido formaron estrellas? ¿Por qué algunas galaxias dejan de formar estrellas? dijo Marcia Rieke de la Universidad de Arizona, codirectora del programa JADES.

Durante cientos de millones de años después del Big Bang, el universo estuvo lleno de una niebla gaseosa. Mil millones de años después del Big Bang, la niebla se disipó y el universo se volvió transparente, un proceso conocido como reionización. Los científicos han debatido si los agujeros negros supermasivos activos o las galaxias llenas de estrellas jóvenes y calientes fueron la causa principal de la reionización.

Como parte del programa JADES, los investigadores estudiaron estas galaxias para buscar señales de formación estelar y las encontraron en abundancia. “Casi todas las galaxias que estamos encontrando muestran estas firmas de líneas de emisión inusualmente fuertes que indican una intensa formación estelar reciente. Estas primeras galaxias fueron muy buenas para crear estrellas calientes y masivas”, dijo Ryan Endsley de la Universidad de Texas en Austin.

Estas estrellas masivas y brillantes emitieron luz ultravioleta, que transformó el gas circundante de opaco a transparente al ionizar los átomos, eliminando electrones de sus núcleos. Dado que estas primeras galaxias tenían una población tan grande de estrellas calientes y masivas, es posible que hayan sido el principal impulsor del proceso de reionización. La reunión posterior de los electrones y los núcleos produce líneas de emisión distintivamente fuertes.

El equipo también encontró evidencia de que estas galaxias jóvenes experimentaron períodos de rápida formación estelar intercalados con períodos tranquilos en los que se formaron menos estrellas. Estos ajustes y arranques pueden haber ocurrido cuando las galaxias capturaron grupos de las materias primas gaseosas necesarias para formar estrellas. Alternativamente, dado que las estrellas masivas explotan rápidamente, es posible que hayan inyectado energía en el entorno circundante periódicamente, evitando que el gas se condense para formar nuevas estrellas.

Otro resultado de JADES publicado hoy se refiere a la evolución estructural de las galaxias. El equipo utilizó datos de imágenes y espectroscopia para abordar una incógnita clave en la astrofísica extragaláctica, que es cómo surgió la diversidad estructural de las galaxias que observamos hoy.

El equipo descubrió una galaxia en el universo infantil, solo 700 millones de años después del Big Bang, pero con la estructura de una galaxia mucho más madura. La galaxia es 100 veces menos masiva que la Vía Láctea, pero es muy compacta. La mayoría de las estrellas jóvenes de esta galaxia se encuentran en las afueras, lo que indica que esta galaxia está creciendo de adentro hacia afuera.

“Me sorprendió encontrar una galaxia tan compacta tan temprano en el universo”, dijo Tacchella, del Laboratorio Cavendish de Cambridge y el Instituto Kavli de Cosmología. “Estoy emocionado de que el telescopio funcione tan bien, permitiéndonos hacer mediciones tan detalladas de galaxias que están tan distantes”.

Otro elemento del programa JADES implica la búsqueda de las primeras galaxias que existieron cuando el universo tenía menos de 400 millones de años. Al estudiar estas galaxias, los astrónomos pueden explorar cómo la formación de estrellas en los primeros años después del Big Bang fue diferente de lo que se ve en la actualidad.

La luz de las galaxias lejanas se estira a longitudes de onda más largas y colores más rojos por la expansión del universo, un fenómeno llamado corrimiento al rojo. Al medir el corrimiento al rojo de una galaxia, los astrónomos pueden saber qué tan lejos está y, por lo tanto, cuándo existió en el universo primitivo. Antes de Webb, solo se observaron unas pocas docenas de galaxias por encima de un corrimiento al rojo de 8, cuando el universo tenía menos de 650 millones de años, pero JADES ahora ha descubierto casi mil de estas galaxias extremadamente distantes.

El estándar de oro para determinar el corrimiento al rojo consiste en observar el espectro de una galaxia, que mide su brillo en longitudes de onda muy próximas entre sí. Pero se puede determinar una buena aproximación tomando fotos de una galaxia usando filtros que cubran una banda estrecha de colores para obtener un puñado de medidas de brillo. De esta forma, los investigadores pueden determinar estimaciones de las distancias de muchos miles de galaxias a la vez.

Kevin Hainline de la Universidad de Arizona en Tucson y sus colegas utilizaron el instrumento NIRCam (Cámara de infrarrojo cercano) de Webb para obtener estas medidas, llamadas desplazamientos al rojo fotométricos, e identificaron más de 700 galaxias candidatas que existían cuando el universo tenía entre 370 millones y 650 millones. años. La gran cantidad de estas galaxias estaba mucho más allá de las predicciones de las observaciones realizadas antes del lanzamiento de Webb. La resolución y la sensibilidad del observatorio están permitiendo a los astrónomos obtener una mejor vista de estas galaxias distantes que nunca antes.

“Anteriormente, las primeras galaxias que podíamos ver parecían pequeñas manchas. Y, sin embargo, esas manchas representan millones o incluso miles de millones de estrellas al comienzo del universo”, dijo Hainline. “Ahora, podemos ver que algunos de ellos son en realidad objetos extendidos con estructura visible. Podemos ver agrupaciones de estrellas naciendo solo unos cientos de millones de años después del comienzo de los tiempos”.

“Estamos descubriendo que la formación estelar en el universo primitivo es mucho más complicada de lo que pensábamos”, dijo Rieke.

Adaptado de un comunicado de prensa de la NASA.

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