Una de las preguntas más fundamentales en astronomía es: ¿Cómo se formaron las primeras estrellas y galaxias? El Telescopio Espacial James Webb de la NASA ya está proporcionando nuevos conocimientos sobre esta cuestión. 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 aproximadamente 32 días de tiempo de telescopio para descubrir y caracterizar galaxias débiles y distantes. Si bien los datos aún están llegando, JADES ya ha descubierto cientos de galaxias que existían cuando el universo tenía menos de 600 millones de años. El equipo también ha identificado galaxias brillantes con una multitud de estrellas jóvenes y calientes.
«Con JADES, queremos responder a 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 en Tucson, codirectora del programa JADES.
Fábricas de estrellas
Ryan Endsley, de la Universidad de Texas en Austin, dirigió una investigación sobre galaxias que existieron entre 500 y 850 millones de años después del Big Bang. Este fue un momento crucial conocido como la Época de la Reionización. Durante cientos de millones de años después del Big Bang, el universo se llenó de una niebla gaseosa que lo hizo opaco a la luz energética. Mil millones de años después del Big Bang, la niebla se había despejado 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, Endsley y sus colegas estudiaron estas galaxias con el instrumento NIRSpec (Espectrógrafo de Infrarrojo Cercano) de Webb para buscar firmas 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 eran muy buenas para crear estrellas calientes y masivas», dijo Endsley.
Estas estrellas brillantes y masivas bombearon torrentes de luz ultravioleta, que transformaron el gas circundante de opaco a transparente ionizando los átomos, eliminando electrones de sus núcleos. Dado que estas galaxias tempranas tenían una población tan grande de estrellas calientes y masivas, pueden haber sido el principal impulsor del proceso de reionización. La reunión posterior de los electrones y los núcleos produce las líneas de emisión distintivamente fuertes.
Endsley y sus colegas también encontraron evidencia de que estas galaxias jóvenes experimentaron períodos de rápida formación estelar intercalados con períodos tranquilos donde se formaron menos estrellas. Estos ataques 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, pueden haber inyectado energía en el entorno circundante periódicamente, evitando que el gas se condense para formar nuevas estrellas.
El universo primitivo revelado
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 los tiempos actuales. La luz de 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 desplazamiento al rojo de una galaxia, los astrónomos pueden aprender qué tan lejos está y, por lo tanto, cuándo existió en el universo temprano. Antes de Webb, solo había unas pocas docenas de galaxias observadas 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 implica observar el espectro de una galaxia, que mide su brillo en una miríada de longitudes de onda estrechamente espaciadas. Pero se puede determinar una buena aproximación tomando fotos de una galaxia usando filtros que cubren una banda estrecha de colores para obtener un puñado de mediciones de brillo. De esta manera, los investigadores pueden determinar estimaciones para 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 mediciones, llamadas desplazamientos al rojo fotométricos, e identificaron más de 700 galaxias candidatas que existían cuando el universo tenía entre 370 millones y 650 millones de años. El gran número de estas galaxias estaba mucho más allá de las predicciones de las observaciones realizadas antes del lanzamiento de Webb. La exquisita resolución y sensibilidad del observatorio están permitiendo a los astrónomos obtener una mejor visión de estas galaxias distantes que nunca.
«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 sólo unos pocos cientos de millones de años después del principio de los tiempos».
«Estamos descubriendo que la formación de estrellas en el universo temprano es mucho más complicada de lo que pensábamos», agregó Rieke.
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