«Cosmic Lighthouses» – Webb revela los secretos de la primera luz del universo

Las observaciones pioneras del telescopio espacial James Webb revelan el papel fundamental de las galaxias de baja masa en la reionización del universo temprano, desafiando las teorías existentes sobre la evolución cósmica.

Los científicos que trabajan con datos del Telescopio Espacial James Webb (JWST) de la NASA han obtenido el primer espectro completo de algunas de las luces estelares más antiguas del universo. Las imágenes proporcionan la imagen más clara hasta el momento de galaxias recién nacidas de muy baja masa, que se formaron menos de mil millones de años después del Big Bang, y sugieren que las galaxias jóvenes tienen un papel central en la historia del origen cósmico.

El equipo internacional de investigadores, incluidos dos astrofísicos de Penn State, publicó recientemente sus hallazgos en la revista naturaleza. Los espectros revelan parte de la primera luz visible de un período del universo conocido como reionización, que fue impulsado por la llegada de las primeras estrellas y galaxias.

Las imágenes de campo profundo tomadas por el telescopio espacial James Webb de la NASA han proporcionado los primeros atisbos de galaxias extremadamente débiles que los investigadores han identificado como fuertes candidatos a objetos que provocaron la reionización del universo. Fuente de la imagen: Hakim Atiq/Universidad de la Sorbona/JWST

El universo primordial: la transición de la oscuridad a la luz

La materia normal en el universo comenzó como una niebla densa y caliente compuesta casi en su totalidad por núcleos de hidrógeno y helio, explicó Joel Lyga, profesor asistente de astronomía y astrofísica en Penn State y autor del artículo. A medida que se expandió y enfrió, los protones y electrones individuales comenzaron a unirse, formando hidrógeno neutro por primera vez. Aproximadamente entre 500 y 900 millones de años después. la gran explosiónEl hidrógeno neutro, que prevalecía en el universo primitivo, comenzó a separarse nuevamente en gas ionizado, estimulando la formación de estrellas y galaxias y levantando la niebla primordial para que la luz pudiera viajar sin obstáculos por el universo por primera vez.

«Algo se activó y empezó a bombear fotones de muy alta energía hacia el vacío entre las galaxias», dijo Lyga. «Estas fuentes actuaron como faros cósmicos que quemaron la niebla de hidrógeno neutro. Fuera lo que fuese, era tan enérgico y persistente que todo el universo volvió a ionizarse».

Pioneros de las galaxias: el papel de las galaxias de baja masa

Al analizar los espectros de galaxias pequeñas y de baja masa, los científicos demostraron que las galaxias pequeñas eran fuertes candidatas para la «cosa» que reionizó el universo calentando el denso gas primordial a su alrededor e ionizando el hidrógeno previamente neutro.

«Si otras galaxias de baja masa en el universo son tan comunes y vibrantes como estas, entonces creemos que finalmente hemos llegado a las balizas que quemaron la niebla cósmica», dijo Lyga. «Eran estrellas increíblemente activas en muchas, muchas galaxias pequeñas».

Leija añadió que se espera que la mayoría de las galaxias del universo primitivo sean relativamente pequeñas, lo que dificulta mucho el estudio de su frecuencia y propiedades. Gracias a un avance tecnológico hecho posible por la combinación única de la sensibilidad del Telescopio Espacial James Webb y el efecto de lente gravitacional del cúmulo Abell 2744 (galaxias cercanas que actúan como lupas cósmicas, distorsionando el espacio y amplificando la luz de las galaxias de fondo) Ahora es posible determinar la abundancia de pequeñas galaxias y sus propiedades ionizantes dentro de mil millones de años, por primera vez en el universo.

«Descubrimos que las galaxias pequeñas superan en número a las galaxias masivas en una proporción de cien a uno durante esta época de reionización del universo», dijo Hakim Atiq, astrofísico de la Universidad de la Sorbona, investigador del Instituto de Astrofísica de París y primer autor del artículo. dijo en un comunicado de prensa. «Estas nuevas observaciones también revelan que estas pequeñas galaxias produjeron una gran cantidad de fotones ionizantes, superando cuatro veces los valores fundamentales normalmente supuestos para las galaxias distantes. Esto significa que el flujo total de fotones ionizantes emitidos por estas galaxias supera con creces el umbral requerido». para la reionización”.

Trazando la evolución cósmica: direcciones futuras

El equipo de Penn State dirigió el modelado para el estudio UNCOVER, que se centró en el gran cúmulo de galaxias en primer plano que tomó imágenes de galaxias más pequeñas y distantes. Los investigadores de Penn State analizaron todos los pequeños puntos de luz en el escaneo para comprender las propiedades del objeto, así como su masa y distancias probables. Este análisis se utilizó luego para guiar las observaciones más detalladas del JWST que llevaron a este descubrimiento, explicó Lija.

Antes de estos resultados, existían una serie de hipótesis que identificaban otras fuentes responsables de la reionización cósmica, como los agujeros negros supermasivos; Grandes galaxias con una masa superior a los mil millones de masas solares; Y pequeñas galaxias con una masa de menos de mil millones de masas solares. Los investigadores dijeron que confirmar la hipótesis sobre las galaxias de baja masa ha resultado particularmente difícil, dado su bajo brillo, pero los nuevos resultados proporcionan la evidencia más clara hasta ahora de que las galaxias de baja masa desempeñaron un papel central en la reionización del universo.

Los investigadores ahora quieren ampliar el estudio a una escala mayor para garantizar que la ubicación específica que analizaron represente la distribución promedio de las galaxias en el universo. Más allá del proceso de reionización, sus observaciones proporcionan información sobre el proceso de formación estelar temprana, cómo surgieron las galaxias a partir del gas primordial y cómo evolucionaron hasta convertirse en el universo que conocemos hoy.

Referencia: “La mayoría de los fotones que reionizaron el universo provinieron de galaxias enanas” por Hakim Atiq, Ivo Lappé, Lukas J. Sedona H. Price, Pratika Dayal, Adi Zitrin, Vasily Kokorev, John R. Weaver, Gabriel Brammer, Peter van Dokkum, Christina C. Williams, Sam E. Cutler, Robert Feldman, Yoshinobu Fudamoto, Jenny E. Verde, Joel Leija, Michael V. Maceda, Adam Muzin, Richard Pan, Casey Papovich y Erika J. Nelson, Themia Nanayakkara y Daniel B. Stark, Mauro Stefanone y Katherine A. Suss, Bingjie Wang y Catherine E. Whitaker, 28 de febrero de 2024, naturaleza.
doi: 10.1038/s41586-024-07043-6

Bingyi Wang, investigador postdoctoral en astrofísica, es el otro coautor del estudio de Penn State. Una lista completa de autores y sus instituciones está disponible en el artículo publicado. Los investigadores agradecen la financiación y el apoyo del Centro Nacional Francés de Estudios Espaciales, el Programa Nacional de Cosmología y Galaxias, el CEA, el Centro Amanecer Cósmico, la Fundación Nacional Danesa de Investigación, el Consejo Australiano de Investigación, NOW, el Programa Rosalind Franklin del Fondo Común de la Comisión Europea y la Universidad de Groningen. Fundación Nacional de Ciencias EE.UU.-Israel, Fundación Nacional de Ciencias de EE.UU. (NSF), Ministerio de Ciencia y Tecnología, Israel y NOIRLabEstá gestionado por el Consorcio de Universidades para la Investigación en Astronomía en virtud de un acuerdo de cooperación con NSF.