JWST vislumbra el amanecer cósmico del universo

EL Telescopio espacial James Webb (JWST) continúa ampliando los límites de la astronomía y la cosmología, el trabajo para el que fue creado. Concebido por primera vez en la década de 1990 y con un desarrollo que comenzó casi una década después, el propósito de este telescopio de próxima generación es recolectar donde Espizer y el venerable telescopio espacial Hubble (HST) se ha detenido, escaneando el universo en infrarrojo y mirando más atrás en el tiempo que nunca. Uno de los principales objetivos de Webb es observar las galaxias de alto corrimiento al rojo (alta Z) que se formaron durante el Amanecer Cósmico.

Este período hace referencia a Era de reionización, donde las primeras galaxias emitieron grandes cantidades de fotones ultravioleta (UV) que ionizaron el hidrógeno neutro que constituía el medio intergaláctico (IGM), haciendo transparente el Universo. La mejor manera de medir el nivel de formación estelar es la Línea de salida H-alfa, que es visible en el espectro infrarrojo medio para galaxias con altos corrimientos al rojo. Usando los datos de Instrumento de infrarrojo medio (MIRI), un equipo internacional de investigadores pudo hacer esto resolver la recta H-alfa y observó por primera vez galaxias con valores de redshift mayores a siete (z>7).

El equipo internacional estaba formado por investigadores de la Instituto Astronómico KapteynEL Centro de Astrobiología (CSIC-CAS), el Centro del Amanecer Cósmico (AMANECER), el Instituto Nacional del Espacio (DTU-Espacio), el Centro de Tecnología de Astronomía del Reino Unidodel Instituto Niels Bohr Centro de Cosmología Oscura (OSCURO), el Instituto Max Planck de Astronomía (AMPI), la Centro de Astronomía Extragaláctica, Instituto de Estudios Avanzados de Dublín (DIAS), ETH Zurich, Agencia Espacial Europea (ESA), la Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial (STScI) y más universidades. El artículo que describe sus hallazgos está bajo revisión para su publicación en El diario de astrofísica.

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La investigación fue realizada por Pierluigi Rinaldi, estudiante de doctorado en el Instituto Astronómico Kapteyn dedicado al estudio de las galaxias de alto corrimiento al rojo y la formación y evolución de las galaxias. Como él y sus colegas explicaron en su artículo, el estudio de las galaxias de alto corrimiento al rojo durante la época de reionización siempre ha sido un gran desafío debido a la falta de instalaciones adecuadas. En estudios anteriores, los astrónomos se han basado en otra línea espectral conocida como Lyman-alfadonde el hidrógeno neutro es golpeado por un fotón y es impulsado al siguiente nivel de energía.

Sin embargo, esta línea es muy tenue o no está presente en galaxias fechadas en la época de reionización porque esta línea espectral ha sido absorbida por el hidrógeno neutro en el IGM. Por eso los astrónomos buscaron la línea de emisión H-alfa (Ha), que aparece en la parte roja del espectro cuando un electrón se mueve entre su segunda y tercera órbita. La línea Ha no se ve afectada por la opacidad del medio intergaláctico y, por lo tanto, permite a los astrónomos estudiar la formación estelar en estas primeras galaxias. Como Rinaldi le dijo a Universe Today a través de un mensaje directo, esto ahora es posible usando Webblas herramientas de:

“Para observar la línea de emisión Ha az ~ 7, que corresponde a unos 700 millones de años después del Big Bang, necesitamos instrumentos capaces de observar longitudes de onda en torno a las 5,6 micras (longitudes de onda del infrarrojo medio). Hasta ahora, aparte de Spitzer, ha habido oportunidades limitadas para lograrlo. Por ejemplo, el telescopio espacial Hubble no tenía esta capacidad. Spitzer podría ayudarnos, pero la resolución espacial de este telescopio espacial era muy insuficiente para este propósito. Sin embargo, el JWST ahora nos permite hacer esto. Específicamente, la herramienta MIRI (nos brinda la oportunidad única de buscar emisores H-alfa con corrimientos al rojo muy altos).

Riguili y sus colegas primero buscaron pistas sobre las líneas de emisión analizando las imágenes más sensibles adquiridas por la cámara de infrarrojo cercano de Webb (NIRCam). Luego analizaron imágenes ultra profundas de estas galaxias preseleccionadas en longitudes de onda más largas con MIRI, que se adquirieron durante un período de observación de tiempo garantizado (GTO) asignado a la ESA. Los investigadores también utilizaron datos auxiliares del Campo Profundo Extremo del Hubble (XDF), que anteriormente era la imagen más profunda del Universo jamás realizada.

Según su análisis, encontraron varias fuentes muy brillantes (5,6 micrones), lo que indica que una línea de emisión H-alfa muy prominente estaba presente en las galaxias observadas. Como explicó Rinaldi:

“Para confirmar que en realidad estábamos observando emisión de Ha, empleamos técnicas fotométricas que nos permitieron aislar galaxias que mostraban un ‘exceso’ en su fotometría. Asumiendo que estas galaxias estaban a la distancia correcta (es decir, corridas al rojo), derivamos los flujos de emisión de Ha. Mediante la realización de sucesivas observaciones espectroscópicas, pudimos verificar el corrimiento al rojo de nuestras fuentes. Por lo tanto, nuestras estimaciones iniciales con respecto a su corrimiento al rojo fueron precisas, gracias a la excelente cobertura de longitud de onda disponible en eXtreme Hubble Deep Field.

Los astrónomos esperan continuar observando estas mismas galaxias utilizando el conjunto de espectrómetros de Webb para aprender más sobre la forma de las líneas de emisión de las galaxias. Estos datos podrían revelar más sobre el flujo de gas dentro de estas primeras galaxias y la dinámica de la formación estelar. Pero por ahora, el equipo espera continuar con estos emocionantes descubrimientos y ver qué implicaciones tendrá la primera detección de galaxias en Cosmic Dawn.

«Nuestro objetivo actual es comprender el papel de estos emisores de Ha en el contexto de la Época de Reionización, que se refiere a cuando las primeras galaxias comenzaron a aparecer y reionizar el Universo», dijo Rinaldi. «¡Estamos trabajando activamente en este proyecto en este momento y esperamos publicar nuestros emocionantes resultados muy pronto!»

Otras lecturas: Astronomie.nl, El diario de astrofísica