Webb ve granos de polvo ricos en carbono en los primeros mil millones de años del tiempo cósmico

Se han observado firmas de observación similares en el universo mucho más reciente y se han atribuido a moléculas complejas basadas en carbono conocidas como hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP). Sin embargo, no se cree probable que los PAH se hayan desarrollado dentro de los primeros mil millones de años del tiempo cósmico.

El equipo internacional, que incluye investigadores de la Universidad de Cambridge, dice que Webb pudo haber observado una especie diferente de molécula basada en carbono: posiblemente minúsculos granos de grafito o similares a diamantes producidos por las primeras estrellas o supernovas. Sus resultados, que sugieren que las galaxias jóvenes en el universo primitivo se desarrollaron mucho más rápido de lo previsto, se informan en la revista. Naturaleza.

Los espacios aparentemente vacíos de nuestro universo a menudo no están vacíos en absoluto, sino que están llenos de nubes de gas y polvo cósmico. Este polvo consiste en granos de varios tamaños y composiciones que se forman y expulsan al espacio de diversas formas, incluso por eventos de supernova.

Este material es crucial para la evolución del universo, ya que las nubes de polvo finalmente forman los lugares de nacimiento de nuevas estrellas y planetas. Sin embargo, el polvo absorbe la luz estelar en ciertas longitudes de onda, lo que hace que algunas regiones del espacio sean difíciles de observar.

Una ventaja es que ciertas moléculas absorberán o interactuarán constantemente con longitudes de onda de luz específicas. Esto significa que los astrónomos pueden obtener información sobre la composición del polvo cósmico al observar las longitudes de onda de la luz que bloquea.

El equipo de astrónomos dirigido por Cambridge utilizó esta técnica, combinada con la extraordinaria sensibilidad de Webb, para detectar la presencia de granos de polvo ricos en carbono solo mil millones de años después del nacimiento del universo.

«Los granos de polvo ricos en carbono pueden ser particularmente eficientes en la absorción de la luz ultravioleta con una longitud de onda de alrededor de 217,5 nanómetros, que por primera vez hemos observado directamente en los espectros de las galaxias muy tempranas», dijo el autor principal, el Dr. Joris Witstok, del Instituto Kavli de Cosmología de Cambridge.

Esta característica de 217,5 nanómetros se ha observado previamente en el Universo mucho más reciente y local, incluso dentro de nuestra propia galaxia, la Vía Láctea, y se ha atribuido a dos tipos diferentes de moléculas a base de carbono: hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP) o granos de grafito de tamaño nanométrico.

Según la mayoría de los modelos, deberían pasar varios cientos de millones de años antes de que se formen los PAH, por lo que sería sorprendente que el equipo hubiera observado la firma química de moléculas que aún no deberían haberse formado. Sin embargo, según los investigadores, este resultado es la firma directa más temprana y distante de este grano de polvo rico en carbono.

La respuesta puede estar en los detalles de lo que se observó. La característica observada por el equipo alcanzó un máximo de 226,3 nanómetros, no la longitud de onda de 217,5 nanómetros asociada con los HAP y los diminutos granos de grafito. Una discrepancia de menos de diez nanómetros podría explicarse por error de medición. Igualmente, también podría indicar una diferencia en la composición de la mezcla de polvo cósmico del universo primitivo que detectó el equipo.

«Este ligero cambio en la longitud de onda de donde la absorción es más fuerte sugiere que podemos estar viendo una mezcla diferente de granos, por ejemplo, granos de grafito o de diamante», dijo Witstok, quien también es investigador asociado posdoctoral en Sidney Sussex College. «Esto también podría ser producido potencialmente en escalas de tiempo cortas por estrellas Wolf-Rayet o por material expulsado de una supernova».

Los modelos sugirieron previamente que se podrían formar nanodiamantes en el material expulsado por las supernovas; y las enormes y calientes estrellas Wolf-Rayet, que viven rápido y mueren jóvenes, darían tiempo suficiente para que generaciones de estrellas nacieran, vivieran y murieran, para distribuir granos ricos en carbono en el polvo cósmico circundante en menos de mil millones de años.

Sin embargo, todavía es un desafío explicar completamente estos resultados con la comprensión existente de la formación temprana de polvo cósmico. Estos resultados continuarán informando el desarrollo de modelos mejorados y observaciones futuras.

Con la llegada de Webb, los astrónomos ahora pueden hacer observaciones detalladas de la luz de galaxias enanas individuales, vistas en los primeros mil millones de años del tiempo cósmico. Webb finalmente permite el estudio del origen del polvo cósmico y su papel en las primeras etapas cruciales de la evolución de las galaxias.

«Este descubrimiento fue posible gracias a la mejora sin precedentes de la sensibilidad en la espectroscopia de infrarrojo cercano proporcionada por Webb, y específicamente su espectrógrafo de infrarrojo cercano (NIRSpec)», dijo el coautor, el profesor Roberto Maiolino, que trabaja en el Laboratorio Cavendish y el Instituto Kavli de Cosmología. “El aumento de la sensibilidad proporcionado por Webb es equivalente, en el visible, a actualizar instantáneamente el telescopio de 37 milímetros de Galileo al Very Large Telescope de 8 metros, uno de los telescopios ópticos modernos más poderosos”.

El equipo está planeando más investigaciones sobre los datos y este resultado. “Planeamos trabajar con teóricos que modelen la producción de polvo y el crecimiento de las galaxias”, dijo la coautora Irene Shivaei de la Universidad de Arizona/Centro de Astrobiología (CAB). “Esto arrojará luz sobre el origen del polvo y los elementos pesados ​​en el universo primitivo”.

Estas observaciones se realizaron como parte del Sondeo Extragaláctico Profundo Avanzado JWST, o JADES. Este programa ha facilitado el descubrimiento de cientos de galaxias que existieron cuando el universo tenía menos de 600 millones de años, incluidas algunas de las galaxias más lejanas conocidas hasta la fecha.

«He estudiado galaxias en los primeros mil millones de años del tiempo cósmico durante toda mi carrera y nunca esperábamos encontrar una firma tan clara de polvo cósmico en galaxias tan distantes», dijo el coautor Dr. Renske Smit de la Universidad John Moores de Liverpool. “Los datos ultraprofundos de JWST nos muestran que los granos formados por polvo similar al diamante pueden formarse en los sistemas más primordiales. Esto está derribando por completo los modelos de formación de polvo y abriendo una nueva forma de estudiar el enriquecimiento químico de las primeras galaxias”.

Webb es una asociación internacional entre la NASA, la ESA y la Agencia Espacial Canadiense (CSA). Esta investigación fue apoyada en parte por el Consejo de Instalaciones de Ciencia y Tecnología (STFC), parte de Investigación e Innovación del Reino Unido (UKRI).

Referencia:
Joris Witstok et al. ‘Granos de polvo carbonoso vistos en los primeros mil millones de años del tiempo cósmico.’ Naturaleza (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06413-w

Adaptado de un comunicado de prensa de la ESA.