El análisis espectral de la galaxia luminosa JADES-GS-z14-0 basado en observaciones realizadas en enero de 2024 reveló un corrimiento al rojo de 14.32, lo que la convierte en la galaxia más distante conocida (la galaxia más distante conocida anteriormente era JADES-GS-z13-0 en el corrimiento al rojo de z = 13.2). Se formó en el universo primitivo unos 290 millones de años después del Big Bang. La gran cantidad de luz estelar implica que es masiva y tiene un tamaño de más de 1,600 años luz. Una galaxia tan luminosa, masiva y grande en el universo temprano en el amanecer cósmico desafía la comprensión actual de la formación de galaxias. Las primeras estrellas del universo fueron estrellas Pop III con cero metales o con un contenido extremadamente bajo de metales. Sin embargo, el estudio de las propiedades infrarrojas de la galaxia JADES-GS-z14-0 revela la presencia de oxígeno, lo que significa enriquecimiento de metales, lo que implica que generaciones de estrellas masivas ya habían completado sus ciclos de vida desde el nacimiento hasta la explosión de supernova hace unos 290 millones de años en el universo temprano. Por tanto, las propiedades de esta galaxia están en desacuerdo con la comprensión actual de la formación de galaxias en el universo primitivo.
El universo primitivo, unos 380,000 años después del Big Bang, estaba lleno de gases ionizados y era completamente opaco debido a la dispersión de fotones por los electrones libres. A esto le siguió la época neutral del universo temprano que duró unos 400 millones de años. En esta época, el universo era neutral y transparente. La primera luz surgió cuando el universo se volvió transparente, se volvió rojo y se desplazó al rango de microondas debido a la expansión, y ahora se observa como Fondo Cósmico de Microondas (CMB). Debido a que el universo estaba lleno de gases neutros, no se emitía ninguna señal óptica (de ahí que se la llamara edad oscura). Los materiales no ionizados no emiten luz, por lo que resulta difícil estudiar el universo primitivo de la época neutral. Sin embargo, la radiación de microondas de 21 cm de longitud de onda (correspondiente a 1420 MHz) emitida por el hidrógeno cósmico frío y neutro durante esta época debido a la transición hiperfina del espín paralelo a un espín antiparalelo más estable ofrece oportunidades a los astrónomos. Esta radiación de microondas de 21 cm se desplazaría al rojo al llegar a la Tierra y se observará en frecuencias de 200 MHz a 10 MHz como ondas de radio. El REACH (Experimento de radio para el análisis del hidrógeno cósmico) El experimento tiene como objetivo detectar la elusiva línea de 21 cm del hidrógeno cósmico.
La época de la reionización fue la siguiente época en la historia del universo temprano que duró desde unos 400 millones de años después del Big Bang hasta mil millones de años. Los gases se reionizaron debido a las radiaciones ultravioleta de alta energía emitidas por las poderosas estrellas primitivas. En esta época comenzó la formación de galaxias y quásares. Las luces de esta época son rojas desplazadas hacia las gamas rojas e infrarrojas. Los estudios de campo profundo del Hubble fueron un nuevo comienzo en el estudio del universo primitivo, aunque su alcance para capturar luces primordiales era limitado. Se necesitaba un observatorio de infrarrojos con base en el espacio. JWST se especializa exclusivamente en astronomía infrarroja para estudiar el universo temprano.
Telescopio espacial James Webb (JWST) se lanzó el 25 de diciembre de 2021. Posteriormente, tt se colocó en una órbita cerca del punto de Lagrange L2 Sol-Tierra, a unos 1.5 millones de kilómetros de la Tierra. Entró en pleno funcionamiento en julio de 2022. Utilizando instrumentos científicos clave a bordo como NIRCam (cámara de infrarrojo cercano), NIRSpec (espectrógrafo de infrarrojo cercano) y MIRI (instrumento de infrarrojo medio), JWST busca señales ópticas/infrarrojas de las primeras estrellas y galaxias. formado en el Universo para una mejor comprensión de la formación y evolución de las galaxias y la formación de estrellas y sistemas planetarios. En los últimos dos años, ha producido resultados fascinantes en la exploración del amanecer cósmico (es decir, el período de los primeros cientos de millones de años después del Big Bang en el que nacieron las primeras galaxias).
Programa JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES)
Este programa tiene como objetivo estudiar la evolución de las galaxias desde un alto corrimiento al rojo hasta el mediodía cósmico mediante imágenes infrarrojas y espectroscopia en los campos profundos GOODS-S y GOODS-N.
Durante el primer año, los investigadores de JADES encontraron cientos de galaxias candidatas de los primeros 650 millones de años después del Big Bang. A principios de 2023, encontraron una galaxia en su conjunto de datos que parecía tener un corrimiento al rojo de 14, lo que sugiere que debe ser una galaxia extremadamente distante pero que era muy brillante. Además, parecía ser parte de otra galaxia debido a su proximidad. Por lo tanto, observaron esa ganancia en octubre de 2023. Los nuevos datos respaldaron que tenía un desplazamiento hacia el rojo de 14. Se necesitaba un espectro de esta galaxia para identificar la ubicación de la ruptura Lyman-alfa en el espectro para medir el desplazamiento hacia el rojo y determinar la edad.
Lyman-alfa es una línea de emisión espectral de hidrógeno en la serie Lyman cuando los electrones pasan de n=2 a n=1. El punto de ruptura Lyman-alfa en el espectro corresponde a la longitud de onda observada (λobservado). El corrimiento al rojo (z) se puede calcular según la fórmula z = (λobservado – λresto) / λresto
Galaxia JADES-GS-z14-0
En consecuencia, la galaxia se volvió a observar en enero de 2024 utilizando NIRCam (cámara de infrarrojo cercano) y NIRSpec (espectrógrafo de infrarrojo cercano). El análisis espectral proporcionó evidencia clara de que la galaxia tenía un corrimiento al rojo de 14.32, lo que la convierte en la galaxia más distante conocida (registro anterior de galaxia más distante (JADES-GS-z13-0 con un corrimiento al rojo de z = 13.2). Se llamó JADES -GS-z14-0, una galaxia luminosa a una distancia de 13.5 mil millones de años luz. Además, su tamaño era de más de 1,600 años luz, lo que sugiere que las estrellas jóvenes son la fuente de su luminosidad. Además, la cantidad de luz estelar significaba que debía ser así. ser muy masiva. No se espera que una galaxia existente menos de 300 millones de años después del Big Bang tenga tales propiedades. No encaja bien en los modelos existentes de formación de galaxias.
Había más sorpresas guardadas.
Los investigadores pudieron detectar JADES-GS-z14-0 en longitudes de onda más largas utilizando MIRI (Instrumento de infrarrojo medio). Esto significó capturar emisiones en el rango de luz visible de esta galaxia que estaban desplazadas al rojo para quedar fuera del alcance de los instrumentos del infrarrojo cercano. El análisis reveló la presencia de oxígeno ionizado, lo que implica una alta metalicidad estelar. Esto sólo es posible cuando muchas generaciones de estrellas ya han vivido su curso de vida.
Las primeras estrellas del universo tenían cero metales o un metal extremadamente bajo. Se llaman estrellas Pop III o estrellas de Población III. Las estrellas del low metal son estrellas del Pop II. Las estrellas jóvenes tienen un alto contenido de metales y se denominan “estrellas Pop I” o estrellas de metal solares. Con una metalicidad relativamente alta del 1.4%, el Sol es una estrella reciente. En astronomía, cualquier elemento más pesado que el helio se considera metal. Los no metales químicos como el oxígeno, el nitrógeno, etc. son metales en un contexto cosmológico. Las estrellas se enriquecen con metal en cada generación posterior al evento de supernova. El aumento del contenido de metales en las estrellas indica una edad más joven.
Teniendo en cuenta que la edad de la galaxia JADES-GS-z14-0 es de menos de 300 millones de años después del Big Bang, las estrellas de esta galaxia deberían ser estrellas Pop III sin contenido de metales. Sin embargo, el MIRI del JWST sí encontró presencia de oxígeno.
En vista de las observaciones y hallazgos anteriores, las propiedades de la galaxia del universo temprano JADES-GS-z14-0 no se ajustan a la comprensión actual de la formación de galaxias. ¿Cómo podría datarse una galaxia con tales características 290 millones de años después del Bing Bang? Es posible que en el futuro se descubran muchas galaxias de este tipo. Quizás existió una diversidad de galaxias en el Amanecer Cósmico.
***
Referencias:
- Carniani, S., et al. 2024. Confirmación espectroscópica de dos galaxias luminosas con un corrimiento al rojo de 14. Nature (2024). Publicado el 24 de julio de 2024. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07860-9 . Preimpresión en axRiv. Presentado el 28 de mayo de 2024. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2405.18485
- Helton JM, et al 2024. Detección fotométrica JWST/MIRI a 7.7 μm del continuo estelar y emisión nebular en una galaxia en z>14. Preimpresión en axRiv. Presentado el 28 de mayo de 2024. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2405.18462
- El telescopio espacial James Webb de la NASA. Primeros aspectos destacados: el telescopio espacial James Webb de la NASA encuentra la galaxia más distante conocida. Publicado el 30 de mayo de 2024. Disponible en https://webbtelescope.org/contents/early-highlights/nasas-james-webb-space-telescope-finds-most-distant-known-galaxy
***
