La imagen la recordamos todos: el cúmulo galáctico SMACS 0723 visto por el telescopio espacial James Webb, la primera imagen científica que vimos del mayor observatorio espacial de la historia. Entre las numerosas galaxias que se veían en la imagen, había algunos pequeños objetos que, dado su pequeño tamaño y color, parecían estar muy lejos.
No olvidemos que el James Webb (JWST) nos permite ver en el infrarrojo, por lo que un objeto que se ve muy rojo en una de estas imágenes de falso color significa que solo emite en el infrarrojo, es decir, que estamos hablando de una galaxia muy, muy lejana y, por tanto, que vemos tal y como era poco después del Big Bang. En los últimos meses el observatorio espacial ha obtenido otras imágenes igual de impresionantes. La última, una hermosa estampa del llamado Cúmulo de Pandora (Abell 2744), en la que también se ven galaxias muy lejanas afectadas por los efectos de lente gravitatoria de cúmulos de galaxias más cercanos.
Imagen del cúmulo de Pandora tomada por el JWST. Las galaxias con halo blanquecino en primer plano son parte del cúmulo, mientras que la mayoría del resto son galaxias más lejanas, algunas distorsionadas por los efectos de lente gravitatoria del cúmulo. Hasta 50 000 puntos de luz, casi todos galaxias, hay en esta imagen. La excepción es la estrella de seis puntas, que es, eso, una estrella de nuestra Galaxia (NASA, ESA, CSA, I. Labbe (Swinburne University of Technology), R. Bezanson (University of Pittsburgh), A. Pagan (STScI)).
Bien, ¿y qué hemos aprendido con estas imágenes de galaxias lejanas? Pues muchísimas cosas, pero publicar artículos científicos de alto nivel en pocos meses resulta harto complejo, por lo que muchos de los resultados son preliminares y, en ocasiones, distintos equipos de investigadores se contradicen en las conclusiones (spoiler: hay que tener paciencia).
Lo primero a tener en cuenta es que en estas imágenes —y en otras tomadas posteriormente— se aprecian múltiples galaxias candidatas a tener un corrimiento al rojo (z), entre 11 y 20 (z va de 0 a infinito). O lo que es lo mismo, las vemos cuando… ¡el Universo tenía entre 200 y 400 millones de años! Alucinante. Pero antes de nada, la cuestión clave es saber exactamente a qué distancias están estas galaxias primigenias.
Y esto no es sencillo. El JWST no puede hacer un análisis espectroscópico de todos los objetos que se ven en estas imágenes y sin un espectro no podemos calcular el corrimiento al rojo, que nos da la edad y distancia al objeto observado. Por este motivo, lo que hacen los astrónomos es usar un atajo, un pequeño truco denominado «el corte de Lyman».
La primera imagen científica del James Webb hecha pública: el cúmulo SMACS 0723 visto por NIRCam (NASA/ESA/CSA/STScI).
Galaxias del cúmulo SMACS 0723 vistas por el Hubble (fila superior) y por el JWST (NASA/ESA/STScI/Ferreira et al.).
Imagen del JWST del cúmulo Abell 2744. La galaxia del recuadro superior (1) la vemos cuando el Universo tenía 450 millones de años. La segunda (2) cuando tenía 350 millones (NASA, ESA, CSA, Tommaso Treu (UCLA)/Zolt G. Levay (STScI)).
Detalle de la anterior imagen. Esas manchitas rojas son dos galaxias primigenias. Las vemos cuando el Universo tenía 450 y 350 millones de años, respectivamente (NASA, ESA, CSA, Tommaso Treu (UCLA)/Zolt G. Levay (STScI)).
Esta ingeniosa técnica se basa en que la radiación ultravioleta que emiten las estrellas de una galaxia lejana es absorbida por el medio interestelar, por lo que no nos llega radiación de esta zona del espectro (las líneas de la serie Lyman del espectro de hidrógeno están en el ultravioleta, de ahí el nombre).
Cuanto más lejos esté una galaxia, más corrimiento al rojo tendrá y, por tanto, este corte de Lyman aparecerá en longitudes de onda más y más largas. Para estas primeras galaxias estamos hablando del infrarrojo medio, justo la región del espectro que observa el JWST.
Para una primera aproximación al cálculo de z, se puede usar una variante fotométrica del Corte de Lyman: los investigadores solo tienen que comparar imágenes del JWST tomadas en diferentes filtros y ver en cuáles ya no se ven las candidatas a galaxias lejanas. Vale, ¿pero qué tienen de especial estas galaxias?
Al fin y al cabo, al poder ver en el infrarrojo, se esperaba que este telescopio espacial pudiese ver objetos más lejanos que el Hubble y los observatorios terrestres, ¿no? Sí, pero lo sorprendente es que pocos esperaban ver tantas galaxias lejanas con z superior a 11 y, menos aún, con un z de entre 15 y 20. ¿Por qué? Pues porque las primeras estrellas se cree que nacieron precisamente alrededor de z = 20 y es muy difícil explicar que justo en esa época veamos galaxias ya formadas.
Y no solo es que haya muchas galaxias extremadamente jóvenes, sino que además la mayoría presentan una estructura desarrollada, o sea, compactas y con forma de disco, un hecho que contradice las conclusiones de algunos estudios previos de galaxias primigenias realizados con datos del telescopio Hubble.
Imagen de la cámara NIRCam del James Webb tomada para el estudio JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey) en la que se ven muchas galaxias candidatas con corrimientos al rojo elevados. El campo coincide con el UDF (Ultra Deep Field) del Hubble (NASA, ESA, CSA, and M. Zamani (ESA/Webb).
Galaxias del campo JADES con corrimientos al rojo superiores a 11 medidos por el instrumento NIRSpec. Aparece el Corte de Lyman como referencia (ASA, ESA, CSA, STScI, M. Zamani (ESA/Webb), and L. Hustak (STScI)).
Localización de las galaxias de la imagen anterior (ESA/Webb), and L. Hustak (STScI)).
Pero tengamos en cuenta que, naturalmente, la mayoría de estas galaxias lejanas son en realidad candidatas a galaxias lejanas. Para asegurarnos de que están realmente tan lejos hay que confirmar su z preciso con un espectro detallado, pero el JWST simplemente no tiene tiempo para ir confirmando todas y cada una de las candidatas.
La técnica fotométrica del Corte de Lyman no es precisa y muchos de los corrimientos al rojo calculados por este método puede que no sean correctos debido a errores de calibración o a que las galaxias tienen grandes cantidades de polvo que provocan que se vean más rojas —y lejanas— de lo que en realidad son. Hasta el advenimiento de la Era del James Webb, la galaxia más lejana era GN-z11, con un z de, bueno, 11, calculado gracias a los telescopios espaciales Hubble y Spitzer. Con el JWST ya tenemos galaxias confirmadas espectroscópicamente con z mayores de 12 como JADES-GS-z13-0 (con un z de 12,4).
El polo de la eclíptica bulle con galaxias en el campo PEARL con imágenes del Hubble y el JWST (NASA, ESA, CSA, A. Pagan (STScI) & R. Jansen (ASU)).
El cúmulo MACS0647 actúa como lente gravitatoria del cúmulo más distante MACS0647-JD. Se destacan tres imágenes, JD1, JD2 y JD3 de dos o más galaxias que se ven en tres sitios diferentes por efecto de la lente. El corrimiento al rojo de este sistema lejano es de 11, o sea, cuando el Universo tenía unos 400 millones de años (NASA, ESA, CSA, STScI, and Tiger Hsiao (Johns Hopkins University), Alyssa Pagan (STScI)).
Lo que sí sabemos de algunas galaxias de las que se han obtenido espectros detallados es que su brillo proviene no solo de luz estelar, sino de gas interestelar ionizado muy caliente. También vemos que la proporción de oxígeno —y, por extensión, la de otros elementos «pesados»— es solo del 2% de la actual, algo lógico si tenemos en cuenta que las primeras estrellas solo estaban formadas por hidrógeno y helio y el resto de elementos se formaron en su interior.
Por tanto, cuanto más joven es una galaxia, menos «metales» —en la jerga astrofísica— tiene. Estas características hacen que este tipo de galaxias sean semejantes a las llamadas «guisantes verdes», pequeñas galaxias —su tamaño es del 5% del de la Vía Láctea— relativamente cercanas con gran cantidad de gas y estrellas muy jóvenes que destacan por su forma esférica y su color verdoso. Normal, porque si efectivamente son galaxias jovencitas, deben ser pequeñas y tener grandes cantidades de gas que todavía no ha formado estrellas. Estas pequeñas galaxias podrían ser las más primitivas desde el punto de vista de su composición química y las causantes de la reionización del Universo primigenio.
Galaxias jóvenes similares a los «guisantes verdes» en el cúmulo SMACS 0723 (NASA, ESA, CSA, STScI).
Galaxia lejana del cúmulo SMACS 0723 (derecha) que se parece mucho a las galaxias del tipo «guisante verde» más cercanas. Este tipo de galaxias podrían ser las más primitivas del Universo (Nature, SDSS, NASA, ESA, CSA, STScI).
En definitiva, el Universo primigenio era un lugar más complejo de lo que pensábamos.
Pero lo fascinante es que todas estas novedades son el resultado de un telescopio espacial que lleva poco más de seis meses enviando datos científicos. ¿Qué maravillas nos quedan por descubrir?
Referencias:
- https://francis.naukas.com/2023/02/15/el-jwst-observa-el-espectro-de-la-galaxia-gn-z11-estimando-su-z-10-6034-%c2%b1-0-0013/
- https://esawebb.org/images/weic2305a/
- https://webbtelescope.org/contents/early-highlights/nasas-webb-reaches-new-milestone-in-quest-for-distant-galaxies
- https://arxiv.org/pdf/2212.04480.pdf
- https://www.nature.com/articles/s41550-023-01892-3
- https://www.nature.com/articles/d41586-023-00064-7
- https://arxiv.org/pdf/2302.07256.pdf
- https://arxiv.org/pdf/2302.07234.pdf
- https://arxiv.org/pdf/2207.09428.pdf
Imagen de portada: Cinco galaxias atraídas entre sí tomadas por el telescopio James Webb
FUENTE RESPONSABLE: EUREKA. El Blog de Daniel Marín. 16 de febrero 2023.
Sociedad/Astronomía/NASA/Cosmología/Astronáutica.
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