La historia de cómo se formaron y evolucionaron las estrellas y galaxias hasta el presente sigue siendo una de las cuestiones astrofísicas más difíciles de resolver, pero una nueva investigación nos acerca a comprenderla.
Un nuevo estudio realizado por un equipo internacional dirigido por la Dra. Angela Adamo de la Universidad de Estocolmo ha revelado nuevos conocimientos sobre las galaxias jóvenes durante la época de la reionización. Las observaciones del arco cósmico galáctico de James (SPT0615-JD) con el telescopio espacial James Webb (JWST) han confirmado que la luz galáctica se emitió 460 millones de años después del Big Bang. Lo que hace que esta galaxia sea única es que se estira por un efecto llamado lente gravitacional, que no se observó en otras galaxias formadas en este momento. La ampliación del arco de las Gemas Cósmicas permitió al equipo estudiar las pequeñas estructuras dentro de la galaxia infantil por primera vez. Los autores descubrieron que el arco de las gemas cósmicas contiene cinco cúmulos estelares masivos jóvenes que están formando estrellas. “Cuando abrimos por primera vez las imágenes del JWST, el asombro y el asombro fueron increíbles”, dice Adamo.
El secreto del universo primitivo
La época de reionización (EoR) es un momento crítico durante la evolución del universo, que ocurrió dentro de los primeros mil millones de años después del Big Bang. Durante este período, el universo experimentó un cambio significativo. En sus inicios estaba lleno de gas hidrógeno neutro, pero esto cambió durante el EoR. La materia del universo quedó completamente ionizada desde su forma neutra. Los átomos fueron despojados de sus electrones. Se cree que las primeras galaxias del universo impulsaron este cambio.
Para estudiar las galaxias más antiguas hay que mirar muy lejos en el espacio. La luz viaja a una velocidad finita. Al observar objetos desde lejos podemos “ver atrás en el tiempo”, ya que vemos el estado del objeto cuando se emitió la luz. Sin embargo, observar los pequeños detalles de un objeto lo suficientemente lejos como para estudiar el universo primitivo es difícil. Una forma de observar detalles finos en galaxias a grandes distancias es mediante lentes gravitacionales. La lente gravitacional ocurre cuando un cuerpo celeste más masivo desvía el camino de la luz alrededor de sí mismo debido a su fuerte gravedad. Cuando la luz emitida por una fuente pasa a través de una lente gravitacional, se distorsiona, similar al efecto de una lupa. De esta forma, los astrónomos pueden observar pequeños detalles en objetos distantes.
Las galaxias aumentan gradualmente sus poblaciones estelares mediante un proceso llamado formación estelar. En las galaxias locales vemos que una gran parte de las estrellas se forman en cúmulos estelares. Los cúmulos de estrellas son grupos de estrellas mantenidas unidas por fuerzas gravitacionales. Los cúmulos de estrellas pueden variar en tamaño, y algunos contienen desde una pequeña cantidad de estrellas hasta millones. Los cúmulos globulares son cúmulos de estrellas muy antiguas donde se han formado estrellas antes, pero ya no. Cómo y dónde se forman los cúmulos globulares ha sido un misterio de larga data.
Nuevos conocimientos sobre la formación de las primeras estrellas y galaxias.
En un nuevo estudio publicado en la revista Science La naturaleza, un equipo de astrónomos presenta el descubrimiento de un cúmulo de estrellas en una galaxia cuya luz ha sido captada gravitacionalmente en su camino hacia la Tierra. “Este logro sólo fue posible gracias a las incomparables capacidades del JWST”, afirma la Dra. Adelaide Claessens de la Universidad de Estocolmo y coautora de la publicación. La galaxia SPT0615-JD, también conocida como Arco de las Gemas Cósmicas, se encuentra en el universo distante. La luz que hoy llega a la Tierra fue emitida desde esta galaxia sólo 460 millones de años después del Big Bang. Al estudiar este objeto, los astrónomos retroceden el 97 por ciento del tiempo cósmico.
“Gracias a las lentes gravitacionales, el arco de la gema cósmica se puede resolver a una escala lo suficientemente pequeña como para estudiar los objetos que contiene”, añade Claeyssens. El equipo utilizó la cámara de infrarrojo cercano (NIRCam) de la nave espacial en JWST para sus observaciones. NIRCam es un instrumento diseñado para tomar imágenes de alta resolución en la parte del infrarrojo cercano del espectro de luz, que puede detectar las estrellas y galaxias más antiguas. Utilizando la alta resolución de JWST NIRCam, las observaciones resultantes mostraron una serie de puntos brillantes reflejados de lado a lado. Resultó que estos puntos eran cúmulos de cinco estrellas jóvenes masivas.
Analizando los espectros de la luz emitida por la galaxia, se puede determinar que los cúmulos de estrellas están ligados gravitacionalmente y tienen densidades estelares tres veces mayores que los típicos cúmulos de estrellas jóvenes del universo local. También descubrió que los cúmulos se formaron recientemente, hace 50 millones de años. Son muy grandes, aunque mucho más pequeños que los cúmulos globulares. “Fue increíble ver las imágenes JWST del Arco Cósmico de James y darnos cuenta de que estábamos observando cúmulos de estrellas en una galaxia tan joven. Observamos cúmulos globulares alrededor de galaxias locales, pero no sabemos cuándo ni dónde se formaron. Dónde ¿eres?” Las observaciones del Cosmic Gems Arc nos han brindado una ventana única al funcionamiento de las galaxias recién nacidas, además de mostrarnos dónde se forman los cúmulos globulares. Habrá mucho tiempo para ellos, porque se formaron a una edad tan temprana del universo. “
Entendiendo el universo primitivo
Al estudiar los cúmulos de estrellas en galaxias jóvenes formadas poco después del Big Bang, se puede lograr una mayor comprensión de cómo y dónde se forman los cúmulos globulares. Dado que se cree que las galaxias jóvenes impulsan la reionización durante la EoR, estudiarlas en profundidad es crucial para adquirir conocimientos sobre el universo primitivo. Utilizando los hallazgos de los autores de este estudio, se agrega más información a nuestra comprensión de cómo se formaron las estrellas en las galaxias más antiguas y dónde y cómo se forman los cúmulos globulares.
Mirando hacia el futuro.
En el futuro, el grupo planea crear una muestra más grande de galaxias similares. “Hasta ahora tenemos una galaxia, pero necesitamos muchas más si queremos construir la demografía de las poblaciones de cúmulos que se formaron en las galaxias más antiguas”. dice Adamo. El equipo también tiene un programa aprobado para la próxima ronda de observaciones JWST, donde estudiarán con más detalle la galaxia Cosmic Gems Arc y los cúmulos de estrellas descubiertos recientemente. “Las observaciones espectroscópicas nos permitirán mapear espacialmente la tasa de formación de estrellas y la eficiencia de la producción de fotones ionizantes a lo largo de la galaxia”, añade el Dr. Larry Bradley, investigador principal del programa JWST y segundo autor del artículo.
