Uno de los objetivos del Telescopio Espacial Webb era obtener imágenes de las primeras galaxias, brindándonos una nueva ventana sobre cómo evolucionó nuestro Universo entre el material denso y caliente del Big Bang y su presente lleno de estrellas y estructuras. Y, casi tan pronto como comenzaron a llegar los datos, las cosas parecían muy prometedoras, con fuertes indicios de que estábamos captando galaxias tal como aparecieron solo unos cientos de millones de años después del Big Bang.
Pero quedaban algunas incertidumbres, ya que las condiciones inusuales podrían causar que una galaxia mucho más reciente tenga características que la hagan parecer mucho más antigua. Ese puede ser el caso de una galaxia que de otro modo sería la más antigua jamás detectada.
El martes, se publicaron dos documentos que resolvieron el problema, proporcionando un espectro completo de cuatro galaxias tempranas y mostrando que todas datan claramente de unos pocos cientos de millones de años después del Big Bang. Las imágenes de las mismas galaxias muestran que están llenas de estrellas jóvenes que carecen de la mayoría de los elementos más pesados que se ven en el Universo actual.
Espectro completo
Averiguar la edad de las primeras galaxias se basa en encontrar una característica específica en la luz que emiten las galaxias. Al principio de la historia del Universo, la mayor parte estaba llena de átomos de hidrógeno, que pueden absorber fotones una vez que tienen suficiente energía para mover su electrón a otros orbitales. Por lo tanto, aunque una galaxia temprana emitiría ampliamente en todo el espectro, habría un corte brusco en lo que se llama la ruptura de Lyman: los fotones más energéticos que eso serían absorbidos por el hidrógeno.
Cerca de allí, la ruptura de Lyman residiría en la parte ultravioleta del espectro. Pero su ubicación se desplaza hacia el rojo a medida que los fotones viajan a través del Universo en expansión, lo que alarga la longitud de onda de la luz. Como resultado, la ruptura de Lyman viaja a través de todo el espectro visible y termina en el infrarrojo a medida que miramos más lejos y, por lo tanto, más temprano en la historia del Universo. Por lo tanto, encontrar la longitud de onda exacta de la ruptura puede decirnos exactamente qué tan lejos viajó la luz y qué edad tiene la galaxia.
Los primeros artículos que han aparecido sobre las primeras galaxias se basaron en diferentes filtros que permitían el paso de diferentes áreas del espectro infrarrojo. Los investigadores buscaron galaxias que estuvieran presentes en longitudes de onda más largas pero desaparecieran en longitudes de onda más altas, lo que sugiere que Lyman Break estaba en las longitudes de onda permitidas. a través del filtro de baja energía.
Pero esto es un poco inexacto, ya que los filtros cubren un rango de longitudes de onda; definitivamente no podemos saber dónde reside la ruptura dentro de ese rango. Y, al no capturar los detalles del espectro, es posible que podamos perder información que indica que la característica que estamos viendo no es en realidad la ruptura de Lyman, lo que podría permitir que una galaxia más cercana se haga pasar por algo mucho más distante.
Entonces, el nuevo trabajo utiliza el instrumento NIRSpec de Webb para capturar el espectro completo de un conjunto de galaxias en una región del espacio que anteriormente había sido fotografiada por el Hubble. Los nuevos documentos se centran en cuatro de estos: dos identificados previamente por Hubble y dos nuevos de los datos de Webb.
viejo y temprano
Los espectros muestran claramente la ruptura de Lyman en los cuatro espectros. Las galaxias varían en edad desde 460 millones de años después del Big Bang hasta solo 325 millones de años después del Big Bang. Esta última es la galaxia más joven en la que se ha confirmado su edad mediante espectroscopia. (Aunque, de nuevo, hay algunos indicios de que hemos fotografiado algunos incluso más cerca del Big Bang). Todos son lo suficientemente débiles como para que nunca hayamos tenido un instrumento que pudiera haber obtenido sus espectros antes de poner el Webb en el espacio. .
No necesita conocer todos los detalles, solo que las líneas verticales rojas representan la ubicación de la ruptura de Lyman en los espectros.
Curtis-Lake, et. Alabama.
¿Cómo son estas galaxias? Son relativamente pequeños, con alrededor de 108 a 109 veces la masa del Sol en estrellas. Eso los hace similares en tamaño a la Pequeña Nube de Magallanes, una galaxia enana en nuestro grupo local. Pero están formando estrellas a un ritmo aproximadamente equivalente al de la Vía Láctea, que es unas 10 veces el ritmo de formación de estrellas en la Pequeña Nube de Magallanes. Entonces, la formación de estrellas está ocurriendo a un ritmo rápido.
Las estrellas mismas también parecen ser extremadamente jóvenes. Según las imágenes de las galaxias, aproximadamente la mitad de las estrellas en ellas tienen menos de 70 millones de años, quizás considerablemente menos. También hay muy pocos elementos pesados alrededor, que habrían sido generados por una generación de estrellas incluso anterior. Al menos una de las galaxias tiene menos del 10 por ciento de los elementos más pesados que se ven en el Sol.
Todo lo cual es consistente con lo que esperaríamos de las primeras galaxias del Universo. Y, de manera crítica, estas propiedades son consistentes con los modelos de formación de galaxias basados en nuestro actual modelo de cosmología de energía oscura/materia oscura fría, lo cual era de esperar, dado que habíamos basado los modelos de formación de galaxias en parte en las limitaciones de nuestro comprensión de la cosmología.
Sin embargo, eso no significa que la cosmología esté fuera de peligro. Todavía hay galaxias potencialmente anteriores que necesitan una mirada más detallada. También está la cuestión de la frecuencia de las galaxias. Una vez que realicemos estudios más amplios de una región del espacio, es posible que encontremos que poco después del Big Bang se formaron más galaxias de las que podemos explicar.
Nature Astronomy, 2023. DOI: 10.1038/s41550-023-01918-w, 10.1038/s41550-023-01921-1 (Acerca de los DOI).