Un equipo internacional de astrónomos ha descubierto las galaxias más antiguas y distantes confirmadas hasta la fecha utilizando datos del Telescopio Espacial James Webb (JWST). El telescopio capturó la luz emitida por estas galaxias hace más de 13.400 millones de años, lo que significa que las galaxias se remontan a menos de 400 millones de años después del Big Bang, cuando el universo tenía solo el 2% de su edad actual.
JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) se centró en el área dentro y alrededor del Campo Ultra Profundo del Telescopio Espacial Hubble. Usando el instrumento NIRCam de Webb, los científicos observaron el campo en nueve rangos diferentes de longitud de onda infrarroja. A partir de estas imágenes (mostradas a la izquierda), el equipo buscó galaxias débiles que son visibles en el infrarrojo pero cuyos espectros se cortan abruptamente en una longitud de onda crítica conocida como la ruptura de Lyman. El instrumento NIRSpec de Webb luego produjo una medición precisa del desplazamiento al rojo de cada galaxia (que se muestra a la derecha). Cuatro de las galaxias estudiadas son particularmente especiales, ya que se reveló que estaban en una época temprana sin precedentes. Estas galaxias se remontan a menos de 400 millones de años después del Big Bang, cuando el universo tenía solo el 2% de su edad actual. En la imagen de fondo, el azul representa la luz a 1,15 micras (115 W), el verde es de 2,0 micras (200 W) y el rojo es de 4,44 micras (444 W). En las imágenes recortadas, el azul es una combinación de 0.9 y 1.15 micrones (090W + 115W), el verde es 1.5 y 2.0 micrones (150W + 200W) y el rojo es 2.0, 2.77 y 4.44 micrones (200W + 277W + 444W). Crédito: NASA, ESA, CSA, STScI, M. Zamani (ESA/Webb) y L. Hustak (STScI). Ciencia: B. Robertson (UCSC), S. Tacchella (Cambridge), E. Curtis-Lake (Hertfordshire), S. Carniani (Scuola Normale Superiore) y la Colaboración JADES
Las observaciones iniciales de JWST produjeron varias galaxias candidatas a distancias extremas, como lo habían hecho observaciones anteriores con el Telescopio Espacial Hubble. Ahora, cuatro de estos objetivos han sido confirmados mediante la obtención de largas observaciones espectroscópicas, que no sólo proporcionan mediciones seguras de sus distancias, sino que también permiten a los astrónomos caracterizar las propiedades físicas de las galaxias.
Hemos descubierto galaxias en tiempos fantásticamente tempranos en el universo distante. Con JWST, por primera vez, ahora podemos encontrar galaxias tan distantes y luego confirmar espectroscópicamente que realmente están tan lejos. Brant Robertson, profesor de astronomía y astrofísica en UC Santa Cruz.
Los astrónomos miden la distancia a una galaxia determinando su desplazamiento al rojo. Debido a la expansión del universo, los objetos distantes parecen estar alejándose de nosotros y su luz se estira a longitudes de onda más largas y rojas por el efecto Doppler. Las técnicas fotométricas basadas en imágenes capturadas a través de diferentes filtros pueden proporcionar estimaciones de corrimiento al rojo, pero las mediciones definitivas requieren espectroscopia, que separa la luz de un objeto en sus longitudes de onda componentes.
(Haga clic en la imagen para ver la infografía completa). El universo se está expandiendo, y esa expansión extiende la luz que viaja a través del espacio en un fenómeno conocido como corrimiento al rojo cosmológico. Cuanto mayor es el desplazamiento al rojo, mayor es la distancia que ha recorrido la luz. Como resultado, se necesitan telescopios con detectores infrarrojos para ver la luz de las primeras galaxias más distantes. Crédito: NASA, ESA y L. Hustak (STSci)
Los nuevos hallazgos se centran en cuatro galaxias con desplazamientos al rojo superiores a 10. Dos galaxias observadas inicialmente por el Hubble ahora tienen corrimientos al rojo confirmados de 10.38 y 11.58. Las dos galaxias más distantes, ambas detectadas en imágenes del JWST, tienen desplazamientos al rojo de 13,20 y 12,63, lo que las convierte en las galaxias más distantes confirmadas por espectroscopia hasta la fecha. Un corrimiento al rojo de 13,2 corresponde a hace unos 13.500 millones de años.
“Estos están mucho más allá de lo que podríamos haber imaginado encontrar antes del JWST”, dijo Robertson. “Con un corrimiento al rojo 13, el universo tiene solo unos 325 millones de años”.
Robertson y Emma Curtis-Lake de la Universidad de Hertfordshire (Reino Unido) son los autores principales de dos artículos sobre los resultados que aún no han pasado por el proceso de revisión por pares (ver enlaces a continuación).
Las observaciones son el resultado de una colaboración de científicos que lideraron el desarrollo de dos de los instrumentos a bordo de Webb, la Cámara de Infrarrojo Cercano (NIRCam) y el Espectrógrafo de Infrarrojo Cercano (NIRSpec). La investigación de las galaxias más débiles y tempranas fue la principal motivación en los conceptos de estos instrumentos. En 2015, los equipos de instrumentos se unieron para proponer el JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES), un ambicioso programa que se ha asignado poco más de un mes del tiempo del telescopio y está diseñado para proporcionar una vista del universo temprano sin precedentes tanto en profundidad como en detalle. JADES es una colaboración internacional de más de ochenta astrónomos de diez países.
“Estos resultados son la culminación de por qué los equipos NIRCam y NIRSpec se unieron para ejecutar este programa de observación”, dijo Marcia Rieke, investigadora principal de NIRCam en la Universidad de Arizona.
El programa JADES comenzó con NIRCam, utilizando más de 10 días de tiempo de misión para observar un pequeño parche de cielo en y alrededor del Campo Ultra Profundo del Hubble. Los astrónomos han estado estudiando esta región durante más de 20 años con casi todos los grandes telescopios. El equipo de JADES observó el campo en nueve rangos diferentes de longitud de onda infrarroja, capturando imágenes exquisitas que revelan casi 100,000 galaxias distantes, cada una a miles de millones de años luz de distancia.
Luego, el equipo utilizó el espectrógrafo NIRSpec durante un solo período de observación de tres días para recoger la luz de 250 galaxias débiles. Esto produjo mediciones precisas de corrimiento al rojo y reveló las propiedades del gas y las estrellas en estas galaxias.
“Con estas mediciones, podemos conocer el brillo intrínseco de las galaxias y averiguar cuántas estrellas tienen”, dijo Robertson. “Ahora podemos comenzar a separar realmente cómo se juntan las galaxias con el tiempo”.
El coautor Sandro Tacchella de la Universidad de Cambridge en el Reino Unido agregó: “Es difícil entender las galaxias sin comprender los períodos iniciales de su desarrollo. Al igual que con los humanos, gran parte de lo que sucede más tarde depende del impacto de estas primeras generaciones de estrellas. Tantas preguntas sobre las galaxias han estado esperando la oportunidad transformadora de Webb, y estamos encantados de poder desempeñar un papel en la revelación de esta historia”.
Según Robertson, la formación estelar en estas galaxias tempranas habría comenzado unos 100 millones de años antes de la edad en la que fueron observadas, empujando la formación de las primeras estrellas a unos 225 millones de años después del Big Bang.
“Estamos viendo evidencia de formación estelar tan pronto como podríamos esperar en base a nuestros modelos de formación de galaxias”, dijo.
Otros equipos han identificado galaxias candidatas con desplazamientos al rojo aún más altos basados en análisis fotométricos de imágenes JWST, pero estos aún no han sido confirmados por espectroscopia. JADES continuará en 2023 con un estudio detallado de otro campo, este centrado en el icónico Campo Profundo del Hubble, y luego un regreso al Campo Ultra Profundo para otra ronda de imágenes profundas y espectroscopia. Muchos más candidatos en el campo esperan una investigación espectroscópica, con cientos de horas de tiempo adicional ya aprobado.
Referencia: “Descubrimiento y propiedades de las primeras galaxias con distancias confirmadas” por B. E. Robertson, S. Tacchella, B. D. Johnson, K. Hainline, L. Whitler, D. J. Eisenstein, R. Endsley, M. Rieke, D. P. Stark, S. Alberts, A. Dressler, E. Egami, R. Hausen, G. Rieke, I. Shivaei, C. C. Williams, C. N. A. Willmer, S. Arribas g, N. Bonaventura, A. Bunker, A. J. Cameron, S. Carniani, S. Charlot, J. Chevallard, M. Curti, E. Curtis-Lake, F. D’Eugenio, P. Jakobsen, T. J. Looser, N. Lützgendorf, R. Maiolino, M. V. Maseda, T. Rawle, H.-W. Rix, R. Smit, H. Übler, C. Willott, J. Witstok, S. Baum, R. Bhatawdekar, K. Boyett, Z. Chen, A. de Graaff, M. Florian, J. M. Helton, R. E. Hviding, Z. Ji, N. Kumari, J. Lyu, E. Nelson, L. Sandles, A. Saxena, K. A. Suess, F. Sun, M. Topping y I. E. B. Wallace, 17 de noviembre de 2022, Astrofísica > astrofísica de galaxias. arXiv:2212.04480 “Confirmación espectroscópica de cuatro galaxias pobres en metales en z = 10.3-13.2” por Emma Curtis-Lake, Stefano Carniani, Alex Cameron, Stephane Charlot, Peter Jakobsen, Roberto Maiolino, Andrew Bunker, Joris Witstok, Renske Smit, Jacopo Chevallard, Chris Willott, Pierre Ferruit, Santiago Arribas, Nina Bonaventura, Mirko Curti, Francesco D’Eugenio, Marijn Franx, Giovanna Giardino, Tobias J. Looser, Nora Lützgendorf, Michael V. Maseda, Tim Rawle, Hans-Walter Rix, Bruno Rodriguez del Pino, Hannah Übler, Marco Sirianni, Alan Dressler, Eiichi Egami, Daniel J. Eisenstein, Ryan Endsley, Kevin Hainline, Ryan Hausen, Benjamin D. Johnson, Marcia Rieke, Brant Robertson, Irene Shivaei, Daniel P. Stark, Sandro Tacchella, Christina C. Williams, Christopher N. A. Willmer, Rachana Bhatawdekar, Rebecca Bowler, Kristan Boyett, Zuyi Chen, Anna de Graaff, Jakob M. Helton, Raphael E. Hviding, Gareth C. Jones, Nimisha Kumari, Jianwei Lyu, Erica Nelson, Michele Perna, Lester Sandles, Aayush Saxena, Katherine A. Suess, Fengwu Sun, Michael W. Topping, Imaan E. B. Wallace y Lily Whitler, 8 de diciembre de 2022, Astrofísica > Astrofísica de galaxias. arXiv:2212.04568