Mirando hacia el amanecer cósmico los astrónomos confirman la galaxia más débil jamás vista
Por Guido Roberts-Borsani, La conversación.
09 de agosto de 2023.
Un fenómeno llamado lente gravitacional puede ayudar a los astrónomos a observar galaxias tenues y difíciles de ver. Crédito: NASA/STScI.
El Universo en el que vivimos es transparente, donde la luz de las estrellas y las galaxias brilla intensamente contra un fondo claro y oscuro. Pero no siempre fue así: en sus primeros años, el Universo estaba lleno de una niebla de átomos de hidrógeno que oscurecía la luz de las primeras estrellas y galaxias.
Se cree que la intensa luz ultravioleta de las primeras generaciones de estrellas y galaxias se quemó a través de la niebla de hidrógeno, transformando el Universo en lo que vemos hoy. Si bien las generaciones anteriores de telescopios carecían de la capacidad de estudiar esos primeros objetos cósmicos, los astrónomos ahora están utilizando la tecnología superior del Telescopio Espacial James Webb para estudiar las estrellas y galaxias que se formaron inmediatamente después del Big Bang.
Soy un astrónomo que estudia las galaxias más lejanas del Universo utilizando los telescopios terrestres y espaciales más avanzados del mundo. Usando nuevas observaciones del telescopio Webb y un fenómeno llamado lente gravitacional, mi equipo confirmó la existencia de la galaxia más débil conocida actualmente en el Universo primitivo. La galaxia, llamada JD1, se ve como era cuando el Universo tenía solo 480 millones de años, o el 4% de su edad actual.
Una breve historia del Universo primitivo.
Los primeros mil millones de años de vida del Universo fueron un período crucial en su evolución. En los primeros momentos posteriores al Big Bang, la materia y la luz estaban unidas entre sí en una "sopa" densa y caliente de partículas fundamentales.
Sin embargo, una fracción de segundo después del Big Bang, el Universo se expandió extremadamente rápido. Esta expansión finalmente permitió que el Universo se enfriara lo suficiente como para que la luz y la materia se separaran de su "sopa" y, unos 380.000 años después, formaran átomos de hidrógeno. Los átomos de hidrógeno aparecieron como una niebla intergaláctica, y sin la luz de las estrellas y galaxias, el Universo estaba oscuro. Este período se conoce como las edades oscuras cósmicas.
La llegada de las primeras generaciones de estrellas y galaxias, varios cientos de millones de años después del Big Bang, bañó el Universo con luz ultravioleta extremadamente caliente, que quemó, o ionizó, la niebla de hidrógeno. Este proceso produjo el Universo transparente, complejo y hermoso que vemos hoy.
Los astrónomos como yo llamamos a los primeros mil millones de años del Universo, cuando esta niebla de hidrógeno se desvanecía, la época de la reionización. Para comprender completamente este período de tiempo, estudiamos cuándo se formaron las primeras estrellas y galaxias, cuáles fueron sus principales propiedades y si pudieron producir suficiente luz ultravioleta para quemar todo el hidrógeno.
La búsqueda de galaxias tenues en el Universo primitivo.
El primer paso para comprender la época de la reionización es encontrar y confirmar las distancias a las galaxias que los astrónomos creen que podrían ser responsables de este proceso. Dado que la luz viaja a una velocidad finita, tarda en llegar a nuestros telescopios, por lo que los astrónomos ven los objetos como eran en el pasado.
Por ejemplo, la luz del centro de nuestra galaxia, la Vía Láctea, tarda unos 27.000 años en llegar a la Tierra, por lo que la vemos como era hace 27.000 años. Eso significa que si queremos volver a ver los primeros instantes después del Big Bang (el Universo tiene 13.800 millones de años), tenemos que buscar objetos a distancias extremas.
Debido a que las galaxias que residen en este período de tiempo están tan lejos, parecen extremadamente débiles y pequeñas para nuestros telescopios y emiten la mayor parte de su luz en el infrarrojo. Esto significa que los astrónomos necesitan potentes telescopios infrarrojos como Webb para encontrarlos. Antes de Webb, prácticamente todas las galaxias distantes encontradas por los astrónomos eran excepcionalmente brillantes y grandes, simplemente porque nuestros telescopios no eran lo suficientemente sensibles para ver las galaxias más débiles y pequeñas.
Sin embargo, es esta última población la que es mucho más numerosa, representativa y probablemente sea la principal impulsora del proceso de reionización, no las brillantes. Entonces, estas galaxias débiles son las que los astrónomos necesitan estudiar con mayor detalle. Es como tratar de entender la evolución de los humanos estudiando poblaciones enteras en lugar de unas pocas personas muy altas. Al permitirnos ver galaxias tenues, Webb está abriendo una nueva ventana para estudiar el Universo primitivo.
Una galaxia temprana típica.
JD1 es una de esas galaxias débiles "típicas". Fue descubierta en 2014 con el Telescopio Espacial Hubble como una galaxia distante sospechosa. Pero el Hubble no tenía la capacidad o la sensibilidad para confirmar su distancia; solo podía hacer una conjetura informada.
Las galaxias cercanas pequeñas y débiles a veces pueden confundirse con galaxias distantes, por lo que los astrónomos deben estar seguros de sus distancias antes de que podamos hacer afirmaciones sobre sus propiedades. Por lo tanto, las galaxias distantes siguen siendo "candidatas" hasta que se confirmen. El telescopio Webb finalmente tiene la capacidad de confirmar esto, y JD1 fue una de las primeras confirmaciones importantes de Webb de una candidata a galaxia extremadamente distante encontrada por Hubble. Esta confirmación la clasifica como la galaxia más débil vista hasta ahora en el Universo primitivo.
Para confirmar JD1, un equipo internacional de astrónomos y yo usamos el espectrógrafo de infrarrojo cercano de Webb, NIRSpec, para obtener un espectro infrarrojo de la galaxia. El espectro nos permitió precisar la distancia a la Tierra y determinar su edad, la cantidad de estrellas jóvenes que formó y la cantidad de polvo y elementos pesados que produjo.
Lentes gravitacionales, la lupa de la naturaleza.
Incluso para Webb, JD1 sería imposible de ver sin la ayuda de la naturaleza. JD1 se encuentra detrás de un gran cúmulo de galaxias cercanas, llamado Abell 2744, cuya fuerza gravitatoria combinada dobla y amplifica la luz de JD1. Este efecto, conocido como lente gravitacional, hace que JD1 parezca más grande y 13 veces más brillante de lo que normalmente sería.
Sin lentes gravitacionales, los astrónomos no habrían visto JD1, ni siquiera con Webb. La combinación de la ampliación gravitacional de JD1 y las nuevas imágenes de otro de los instrumentos de infrarrojo cercano de Webb, NIRCam, hizo posible que nuestro equipo estudiara la estructura de la galaxia con un detalle y una resolución sin precedentes.
Esto no solo significa que nosotros, como astrónomos, podemos estudiar las regiones internas de las primeras galaxias, sino que también significa que podemos comenzar a determinar si esas primeras galaxias eran fuentes pequeñas, compactas y aisladas, o si se estaban fusionando e interactuando con galaxias cercanas. Al estudiar estas galaxias, estamos rastreando los componentes básicos que dieron forma al Universo y dieron origen a nuestro hogar cósmico.
Fuente:
https://phys.org/news/2023-08-cosmic-dawnastronomers-faintest-galaxy.html