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May 26, 2023

El telescopio espacial Webb muestra que el universo primitivo crepitó con ráfagas de formación estelar

Por el Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial 6 de junio de 2023 The James Webb Space

Por Space Telescope Science Institute 6 de junio de 2023

El programa JADES del telescopio espacial James Webb está proporcionando información sin precedentes sobre el universo primitivo, descubriendo cientos de galaxias antiguas y revelando patrones complejos de formación estelar. El estudio apunta a estrellas jóvenes y calientes en galaxias tempranas como posibles impulsoras de la transición del universo de opaco a transparente durante la Época de Reionización. Además, al analizar el corrimiento al rojo, JADES ha descubierto casi mil galaxias extremadamente distantes, desafiando las predicciones anteriores y revelando la complejidad del universo primitivo.

With its large, light-gathering mirror and infrared sensitivity, NASAEstablished in 1958, the National Aeronautics and Space Administration (NASA) is an independent agency of the United States Federal Government that succeeded the National Advisory Committee for Aeronautics (NACA). It is responsible for the civilian space program, as well as aeronautics and aerospace research. Its vision is "To discover and expand knowledge for the benefit of humanity." Its core values are "safety, integrity, teamwork, excellence, and inclusion." NASA conducts research, develops technology and launches missions to explore and study Earth, the solar system, and the universe beyond. It also works to advance the state of knowledge in a wide range of scientific fields, including Earth and space science, planetary science, astrophysics, and heliophysics, and it collaborates with private companies and international partners to achieve its goals." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">NASA's James Webb Space TelescopeThe James Webb Space Telescope (JWST or Webb) is an orbiting infrared observatory that will complement and extend the discoveries of the Hubble Space Telescope. It covers longer wavelengths of light, with greatly improved sensitivity, allowing it to see inside dust clouds where stars and planetary systems are forming today as well as looking further back in time to observe the first galaxies that formed in the early universe." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> El telescopio espacial James Webb (JWST) es especialmente adecuado para estudiar galaxias que existieron en el universo primitivo, solo unos cientos de millones de años después del Big Bang. Un poco más de un mes entero del tiempo de observación de Webb está dedicado al JWST Advanced Deep Extragalactic Survey, o JADES. JADES observará profundamente el universo para estudiar algunas de las galaxias más débiles y distantes. Entre los primeros hallazgos del programa: Cientos de galaxias que existieron cuando el universo tenía menos de 600 millones de años y galaxias que han sufrido repetidos estallidos de formación estelar.

Esta imagen infrarroja del Telescopio Espacial James Webb (JWST) de la NASA fue tomada para el programa JWST Advanced Deep Extragalactic Survey, o JADES. Muestra una porción de un área del cielo conocida como GOODS-South, que ha sido bien estudiada por el Telescopio Espacial Hubble y otros observatorios. Aquí se ven más de 45.000 galaxias. Crédito: NASA, ESA, CSA, Brant Robertson (UC Santa Cruz), Ben Johnson (CfA), Sandro Tacchella (Cambridge), Marcia Rieke (Universidad de Arizona), Daniel Eisenstein (CfA), Alyssa Pagan (STScI)

Entre las preguntas más fundamentales en astronomía está: ¿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 alrededor de 32 días de tiempo de telescopio para descubrir y caracterizar galaxias distantes y tenues. Si bien los datos siguen llegando, JADES ya ha descubierto cientos de galaxias que existieron cuando el universo tenía menos de 600 millones de años. El equipo también ha identificado galaxias que brillan con una multitud de estrellas jóvenes y calientes.

"Con JADES, queremos responder 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.

Ryan Endsley, de la Universidad de Texas en Austin, dirigió una investigación sobre las 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 estuvo lleno de una niebla gaseosa que lo hizo opaco a la luz energética. Mil millones de años después del Big Bang, la niebla se disipó 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 para buscar señales 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 fueron muy buenas para crear estrellas calientes y masivas", dijo Endsley.

Esta imagen del campo GOODS-South, capturada por la NIRCam (Cámara de infrarrojo cercano) de Webb, muestra las flechas de la brújula, la barra de escala y la clave de color como referencia. Las flechas de la brújula norte y este muestran la orientación de la imagen en el cielo. Tenga en cuenta que la relación entre el norte y el este en el cielo (visto desde abajo) se invierte en relación con las flechas de dirección en un mapa del suelo (visto desde arriba). La barra de escala está etiquetada como 50 segundos de arco. Crédito: NASA, ESA, CSA, Brant Robertson (UC Santa Cruz), Ben Johnson (CfA), Sandro Tacchella (Cambridge), Marcia Rieke (Universidad de Arizona), Daniel Eisenstein (CfA), Alyssa Pagan (STScI)

Estas estrellas masivas y brillantes emitieron torrentes de luz ultravioleta, que transformó el gas circundante de opaco a transparente al ionizar los átomos, eliminando electrones de sus núcleos. Dado que estas primeras galaxias tenían una población tan grande de estrellas calientes y masivas, es posible que hayan 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 en los que se formaron menos estrellas. Estos ajustes 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, es posible que hayan inyectado energía en el entorno circundante periódicamente, evitando que el gas se condense para formar nuevas estrellas.

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 la actualidad. La luz de las 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 corrimiento al rojo de una galaxia, los astrónomos pueden saber qué tan lejos está y, por lo tanto, cuándo existió en el universo primitivo. Antes de Webb, solo se observaron unas pocas docenas de galaxias 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 consiste en mirar 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 cubran una banda estrecha de colores para obtener un puñado de medidas de brillo. De esta forma, los investigadores pueden determinar estimaciones de 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 medidas, llamadas desplazamientos al rojo fotométricos, e identificaron más de 700 galaxias candidatas que existían cuando el universo tenía entre 370 millones y 650 millones. años. La gran cantidad 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 vista de estas galaxias distantes que nunca antes.

"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 una estructura visible. Podemos ver agrupaciones de estrellas naciendo solo unos cientos de millones de años después del comienzo de los tiempos".

"Estamos descubriendo que la formación estelar en el universo primitivo es mucho más complicada de lo que pensábamos", agregó Rieke.

Estos resultados se informan en la reunión 242 de la Sociedad Astronómica Estadounidense en Albuquerque, Nuevo México.

The James Webb Space Telescope is the world's premier space science observatory. Webb will solve mysteries in our solar system, look beyond to distant worlds around other stars, and probe the mysterious structures and origins of our universe and our place in it. Webb is an international program led by NASA with its partners, ESA (European Space AgencyThe European Space Agency (ESA) is an intergovernmental organization dedicated to the exploration and study of space. ESA was established in 1975 and has 22 member states, with its headquarters located in Paris, France. ESA is responsible for the development and coordination of Europe's space activities, including the design, construction, and launch of spacecraft and satellites for scientific research and Earth observation. Some of ESA's flagship missions have included the Rosetta mission to study a comet, the Gaia mission to create a 3D map of the Milky Way, and the ExoMars mission to search for evidence of past or present life on Mars." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Agencia Espacial Europea) y CSA (Agencia Espacial Canadiense).