Un equipo de investigadores está publicando un artículo basado en nuevas imágenes tomadas por el Telescopio Espacial Webb. Las imágenes revelan una densa concentración de materia en el Universo primitivo, lo que podría indicar etapas tempranas en la formación de un cúmulo de galaxias. Y gracias al presente espectrógrafo, Webb pudo confirmar que varias galaxias previamente fotografiadas por Hubble también formaban parte del cúmulo. Incluso rastreó el flujo de gas expulsado por la galaxia más grande presente.
Graficando el espectro
El hardware clave para este trabajo es NIRSpec, el espectrógrafo de infrarrojo cercano que forma parte del paquete de instrumentos de Webb. Si bien el instrumento en sí es altamente sofisticado, funciona según principios que son importantes para el funcionamiento de cosas como la cámara de su teléfono celular.
En estas cámaras de consumo, los sensores registran el brillo de tres áreas diferentes del espectro visible: rojo, verde y azul. Las imágenes que resultan se hacen combinando esta información, con diferentes áreas de la imagen que tienen distintas intensidades de cada uno de estos colores.
Un espectrógrafo también funciona rastreando la intensidad de la luz en un área limitada del espectro. La principal diferencia es que los segmentos de espectro representados son mucho más pequeños que el rango completo de un color como el azul. Y en este caso, no forman parte de los colores en absoluto: todas las longitudes de onda están en el área infrarroja del espectro. Aún así, al igual que las imágenes RGB producidas por una cámara, cada parte del espectro puede analizarse individualmente o combinarse en una imagen de «color» completo que incluye una amplia gama del espectro.
¿Por qué es útil un espectrógrafo para observar objetos distantes? Hay dos formas en que fue fundamental para este estudio. La primera es que la luz del Universo primitivo se desplaza hacia el rojo por la expansión del Universo a medida que viaja a la Tierra. Por lo tanto, los fotones energéticos en longitudes de onda como la UV se estiran gradualmente hasta que Webb los registra como fotones infrarrojos. Saber exactamente qué tan estirados están nos dice la distancia a los objetos, y necesitamos saber su longitud de onda actual para determinar eso. Un espectrógrafo proporciona esa información.
La segunda habilidad clave proporcionada por un espectrógrafo es el seguimiento de los materiales en movimiento. Todos los elementos tienen un conjunto de longitudes de onda específicas en las que emiten luz. Pero si están en movimiento en relación con un observador, entonces esa longitud de onda se desplaza hacia el rojo o hacia el azul por el efecto Doppler, cambiando ligeramente la longitud de onda (este efecto se sumará al desplazamiento hacia el rojo causado por la distancia). Entonces, al identificar las emisiones de un elemento específico y ver cómo se desplazan, podemos rastrear el movimiento de esos átomos, incluso a grandes distancias.
Una galaxia activa en un cúmulo denso
Para el nuevo trabajo, Webb apuntó a lo que se llama un cuásar o núcleo galáctico activo. Estos son increíblemente brillantes debido a toda la luz que se produce cuando la materia gira alrededor de los agujeros negros supermasivos que se encuentran en el centro de las galaxias. En este caso, el quásar, llamado J1652, había sido identificado como de color muy rojo, lo que sugiere que su luz se había desplazado fuertemente hacia el rojo y, por lo tanto, lo estábamos viendo como era en el Universo primitivo.
La imagen de Webb confirmó que el color rojo de J1652 se debió a un desplazamiento al rojo significativo; el corrimiento al rojo tenía un valor de z ≈ 3, lo que significa que la galaxia se está viendo como existió hace más de 11 mil millones de años. Se cree que este es un momento crítico en la evolución de las galaxias, cuando las tremendas energías liberadas por sus agujeros negros supermasivos comenzaron a expulsar material de formación de estrellas fuera de la galaxia, poniendo un límite a la formación de estrellas.
Otro resultado sorprendente de los datos espectrográficos es que al menos otros tres objetos que se habían detectado en la misma área en las imágenes del Hubble resultaron tener el mismo corrimiento al rojo. Esto significa que son galaxias adicionales muy próximas a J1652. Dado que toda el área fotografiada tiene 85.000 años luz de diámetro, esa es una concentración muy alta de galaxias. (A modo de comparación, la Vía Láctea tiene más de 100.000 años luz de diámetro, aunque es sustancialmente más grande que estas primeras galaxias).
Además de confirmar distancias, los datos de Webb permitieron a los investigadores rastrear átomos de oxígeno ionizado, que emiten a una longitud de onda conveniente. Los desplazamientos hacia el rojo y el azul que aparecen en estos datos muestran que el cuásar está expulsando material aproximadamente hacia la Tierra y en la dirección opuesta, en consonancia con los dos chorros que suelen formar los agujeros negros. La gran cantidad de material expulsado también es consistente con la idea de que la formación de cuásares puede poner un límite a la formación de estrellas al hacer estallar las materias primas.
Pero los investigadores parecen más interesados en la extremadamente alta densidad de galaxias en el área general. Según la cantidad de materia presente, los investigadores infieren la cantidad de materia oscura y concluyen que se trata de un área del Universo tan densa como la que hemos fotografiado hasta ahora, lo que sugieren que es el producto de una fusión de dos materia oscura diferente halos
El arXiv. Número de resumen: 2210.10074 (Sobre el arXiv). Para ser publicado en The Astrophysical Journal Letters.