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Astrofísicos españoles observan las primeras galaxias del universo

En un reciente estudio liderado por el Centro de Astrobiología (CAB), CSIC-INTA (España), investigadores de 9 países han analizado las imágenes más profundas tomadas por el instrumento NIRCam del telescopio James Webb, dentro del Tiempo Garantizado otorgado a los miembros del equipo que construyó el instrumento MIRI, y han encontrado muchas más galaxias, mucho más brillantes y mucho más pequeñas en tamaño de lo esperado que se encontraran en el universo temprano.

Durante 20 años, investigadores del Centro de Astrobiología (CAB), CSIC-INTA, en España, han trabajado, conjuntamente con astrofísicos y técnicos de otros 8 países europeos y Estados Unidos, en el desarrollo de uno de los instrumentos del Telescopio Espacial James Webb (JWST), MIRI. “Como parte del pago por nuestro trabajo en la construcción de MIRI, la ESA y la NASA nos otorgaron tiempo garantizado del telescopio para llevar a cabo proyectos científicos que hemos estado planeando durante décadas”, dice Luis Colina, co-investigador principal de MIRI en CAB.

Las observaciones de tiempo garantizado comenzaron a ejecutarse en el otoño de 2022, incluidas las que son las imágenes más profundas jamás tomadas por JWST en el primer año de operaciones científicas. Göran Ostlin, co-investigador principal de MIRI en la Universidad de Estocolmo, nos dice: “En diciembre de 2022 tomamos datos en un área del cielo conocida como el Campo Ultraprofundo del Hubble usando MIRI, JWST pasó 50 horas recolectando fotones de galaxias distantes. Paralelamente, también se encendió el instrumento NIRCam, la cámara más sensible del JWST, y con él tomamos datos que nos permitieron detectar galaxias 10 veces más débiles que las que se habían estudiado durante los primeros 6 meses de la misión. Esto es lo que llamamos MIRI Deep Imaging Survey (MIDIS)”.

En un artículo publicado en The Astrophysical Journal Letters, el equipo de MIDIS ha presentado su búsqueda de las galaxias más distantes del universo utilizando datos de NIRCam. Pablo G. Pérez-González, astrofísico del CAB que ha trabajado en el proyecto durante 10 años, lidera este trabajo que ha encontrado 44 galaxias formadas tentativamente en los primeros 500 millones de años del Universo, menos del 4% de su edad actual, incluso presentan algunas candidatas formadas en los primeros 200 millones de años del universo, el 1% de la edad.

El principal resultado de este trabajo se ha obtenido comparando las propiedades de estas galaxias tempranas con lo predicho por los modelos de formación de galaxias más avanzados. Luca Costantin, becario postdoctoral del CAB contratado a través del programa de Atracción de Talento de la Comunidad de Madrid, y coautor del artículo, nos cuenta: “Durante décadas, las simulaciones del universo desarrolladas con los superordenadores más potentes del mundo han recreado cómo se forman las galaxias, cuándo aparecieron las primeras estrellas, cómo el gas primordial, que era solo hidrógeno y helio, se convirtió en otros elementos, como el oxígeno o el carbono, y cómo, en última instancia, se crearon los ingredientes fundamentales de la vida”.

El artículo compara la cantidad de fotones ultravioleta que se crearon en estas galaxias tempranas descubiertas por JWST con lo que predicen simulaciones cosmológicas como Illustris o EAGLE. “JWST es capaz de medir la cantidad de energía emitida en el ultravioleta por galaxias distantes. Debido al efecto de la expansión del universo, hoy esa energía toma la forma de fotones infrarrojos, que son los que JWST y su instrumento NIRCam pueden detectar”, explica Pierluigi Rinaldi, estudiante de doctorado en la Universidad de Groningen y colaborador en el proyecto.

El primer autor del artículo, Pablo G. Pérez-González, explica que “las galaxias primitivas crearon 10 veces más fotones ultravioleta de lo que predijeron los modelos, la clave es cómo”. Los fotones ultravioleta pueden ser creados por estrellas jóvenes y calientes, mucho más calientes que el Sol, que evolucionan y desaparecen rápidamente. Pero esos fotones ultravioleta también pueden ser creados por agujeros negros supermasivos. El artículo describe que las galaxias primitivas descubiertas también son muy compactas, 2-3 veces más de lo esperado, lo que podría estar relacionado con la presencia de estos agujeros negros.

“¿De dónde habrían venido esos agujeros negros supermasivos?

¿Cómo pudieron haberse formado tan rápido? ¿Tal vez de agujeros negros primordiales que han existido casi desde el propio Big Bang? ¿O de agujeros negros que no evolucionan a partir de estrellas, que es como pensamos que se forman normalmente, pero directamente del gas primordial, sin pasar por las estrellas, colapsaron directamente? ¿O realmente vemos más fotones ultravioletas de lo esperado porque hay muchas más estrellas masivas en galaxias primitivas en comparación con la cantidad que normalmente se forma en galaxias jóvenes cercanas?”, dice Pérez-González. “Por ahora JWST nos está proporcionando muchas más preguntas que respuestas, pero estas nuevas líneas de investigación son emocionantes”, concluyen los autores del artículo.


Imagen del campo ultraprofundo utilizado por la colaboración MIRI Deep Imaging Survey (MIDIS) para buscar galaxias primitivas. La imagen combina datos tomados con la cámara NIRCam, que opera en los rangos espectrales de infrarrojo cercano y medio. En los sellos de la derecha, se muestran algunos candidatos de galaxias de alto desplazamiento al rojo presentados en el artículo. Se habrían formado en los primeros 200 a 500 millones de años después del Big Bang, cuando la edad del universo era del 1-5% de la actual. Créditos: Pierluigi Rinaldi, Rafael Navarro-Carrera, Pablo G. Pérez-González.

Scientific paper published in The Astrophysical Journal Letters Reference: “Life beyond 30: probing the -20<M_UV<-17 luminosity function at 8<z<13 with the NIRCam parallel field of the MIRI Deep Survey”, Pablo G. Pérez-González et al., ApJL, ,LXX https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/acd9d0

Traducción La Ciencia Espacial

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