Así son las galaxias adolescentes fotografiadas por el James Webb

El telescopio espacial James Webb revela una visión extraordinariamente detallada de las «galaxias adolescentes» entre 2.000 y 3.000 millones de años después del Big Bang

Foto: Imagen del telescopio JWST de un cúmulo de galaxias conocido como «El Gordo», que es un ejemplo de «adolescente cósmico». Crédito: NASA/ESA/CSA.

Según los cálculos actuales, el inicio del universo tuvo lugar hace 13.770 millones de años con una enorme explosión que conocemos como Big Bang. Las galaxias que se formaron apenas 2.000 o 3.000 millones de años después del Big Bang, o en términos astronómicos, poco después, son muy calientes y brillan con la luz de elementos sorprendentes, como el níquel. La luz que nos llega ahora de ellas es muy tenue, después de viajar durante miles de millones de años, y esa es precisamente la especialidad del telescopio espacial James Webb (JWST).

Estas galaxias «adolescentes» son el objeto de un nuevo trabajo dirigido por Gwen Rudie, de Carnegie, y Allison Strom, de la Universidad Northwestern. El estudio de las galaxias adolescentes del universo primitivo puede enseñar a los científicos cómo maduran y evolucionan estos sistemas masivos de estrellas.

Sus hallazgos, publicados en The Astrophysical Journal Letters, forman parte del estudio CECILIA (Chemical Evolution Constrained using Ionized Lines in Interstellar Aurorae), desarrollado por Rudie y Strom. El pasado mes de julio, apuntaron el JWST a 33 galaxias antiguas especialmente seleccionadas, cuya luz viajó más de 10.000 millones de años para llegar hasta nosotros, y observaron fijamente con el nuevo telescopio durante más de un día, proporcionando la visión más detallada de estas galaxias primitivas captada hasta el momento.

Las galaxias adolescentes del universo joven

En la juventud del universo, muchas galaxias, incluidas las 33 elegidas para este estudio, experimentaron un periodo de intensa formación estelar. En la actualidad, algunas galaxias, como nuestra Vía Láctea, siguen formando nuevas estrellas, aunque no tan rápidamente. Otras galaxias han dejado de formar estrellas por completo. Este nuevo trabajo puede ayudar a los astrónomos a comprender las razones de estas diferentes trayectorias.

«Intentamos comprender cómo crecieron y cambiaron las galaxias a lo largo de los 14.000 millones de años de historia cósmica», explica Allison Strom, primera autora. «Utilizando el JWST, nuestro programa se centra en las galaxias adolescentes cuando atravesaban una época complicada de rachas de crecimiento y cambio. Los adolescentes suelen vivir experiencias que determinan su trayectoria hasta la edad adulta. En el caso de las galaxias, ocurre lo mismo».

El equipo de CECILIA estudió los espectros de estas galaxias lejanas, separando su luz en las longitudes de onda que la componen, del mismo modo que un prisma distribuye la luz solar en los colores del arco iris. Observar la luz de este modo ayuda a los astrónomos a medir la temperatura y la composición química de las fuentes cósmicas.

«Hicimos la media de los espectros de las 33 galaxias para crear el espectro más profundo jamás visto de una galaxia lejana, cuya reproducción requeriría 600 horas de telescopio», explica Rudie. «Esto nos permitió crear una especie de atlas que servirá de base para futuras observaciones del JWST de objetos muy lejanos».

Gracias a los espectros, los investigadores pudieron identificar ocho elementos distintos: Hidrógeno, helio, nitrógeno, oxígeno, silicio, azufre, argón y níquel.

«La existencia de estos elementos en estas galaxias no es una sorpresa, pero nuestra capacidad para medir su luz no tiene precedentes y demuestra la potencia del JWST», afirmó Rudie.

Todos los elementos más pesados que el hidrógeno y el helio se forman en el interior de las estrellas. Cuando las estrellas explotan en eventos violentos como las supernovas, arrojan estos elementos al entorno cósmico, donde se incorporan a la siguiente generación estelar. Así, al revelar la presencia de ciertos elementos en estas galaxias primitivas, los astrónomos pueden conocer cómo cambia la formación estelar a lo largo de su evolución.

Níquel en las galaxias adolescentes

Al equipo de CECILIA le sorprendió la presencia de níquel, que es particularmente difícil de observar. «Ni en mis mejores sueños imaginé que veríamos níquel», afirma Strom. «Incluso en galaxias cercanas no se observa esto. Tiene que haber suficiente cantidad de un elemento presente en una galaxia y las condiciones adecuadas para observarlo. Nadie habla nunca de observar el níquel. Los elementos tienen que brillar en el gas para que podamos verlos. Así que, para que veamos níquel, puede que haya algo único en las estrellas dentro de las galaxias».

«JWST es todavía un observatorio muy nuevo», añade Ryan Trainor, coautor del estudio, del Franklin & Marshall College. «Los astrónomos de todo el mundo todavía están tratando de averiguar las mejores maneras de analizar los datos que recibimos del telescopio».

Otra sorpresa: Las galaxias adolescentes eran extremadamente calientes. Examinando los espectros, los físicos pueden calcular la temperatura de una galaxia. Mientras que los focos más calientes con galaxias pueden alcanzar más de 9.700 grados Celsius o 17.492 grados Fahrenheit, las galaxias adolescentes marcaban más de 13.350 grados Celsius o 24.062 grados Fahrenheit.

«Esperábamos que estas galaxias primitivas tuvieran una química muy diferente a la de nuestra Vía Láctea y a la de las galaxias que nos rodean hoy en día», explica Rudie. «Pero aún así nos sorprendió lo que reveló el JWST».

El proyecto fue bautizado en honor de Cecilia Payne-Gaposchkin, pionera en la química del Sol hace casi 100 años. Sus descubrimientos pusieron patas arriba los conocimientos de la comunidad científica sobre la composición del Sol, y tuvo que hacer frente a críticas injustas durante años antes de que su trabajo pionero fuera finalmente reconocido.

«Con el nombre de Cecilia Payne queremos rendir homenaje a sus estudios pioneros sobre la composición química de las estrellas. Allison y yo reconocemos que nuestro propio trabajo, que revela la química de estas galaxias tan tempranas, se basa en su legado». afirmó Rudie.

REFERENCIA

CECILIA: The Faint Emission Line Spectrum of z ∼ 2–3 Star-forming Galaxies