El Telescopio Espacial Webb encuentra galaxias que desafían las teorías astronómicas

La existencia de la segunda y cuarta galaxias más distantes jamás registradas (UNCOVER z-13 y UNCOVER z-12) ha sido confirmada utilizando la cámara de infrarrojo cercano (NIRCam) del Telescopio Espacial James Webb. Las galaxias están ubicadas en el cúmulo de Pandora (Abell 2744) y se muestran aquí como longitudes de onda de luz del infrarrojo cercano traducidas a los colores de la luz visible. La imagen del cúmulo principal está escalada en segundos de arco, una medida de la distancia angular en el cielo. Los círculos en las imágenes en blanco y negro, que muestran galaxias en el rango del filtro NIRCam-F277W a bordo del Telescopio James Webb, indican un tamaño de apertura de 0,32 segundos de arco. Fuente: Imagen del cúmulo: NASA, UNCOVER (Bezanson et al., DIO: 10.48550/arXiv.2212.04026) Inserciones: NASA, UNCOVER (Wang et al., 2023) Síntesis: Danny Ziemba/Penn State

Observaciones posteriores en el cúmulo de Pandora confirmaron la existencia de la segunda y cuarta galaxias más distantes jamás vistas, más grandes que otras galaxias encontradas a distancias tan extremas.

La segunda y cuarta galaxias más distantes jamás descubiertas fueron descubiertas en una región del espacio conocida como cúmulo de Pandora, o Abell 2744, utilizando datos de… NASA‘s Telescopio espacial James Webb (JWST). En una imagen de seguimiento de campo profundo de la región (ver imagen a continuación), un equipo internacional dirigido por investigadores de Penn State confirmó la distancia de estas galaxias antiguas e infirió sus propiedades utilizando nuevos datos espectroscópicos (información sobre la luz emitida a través del espectro electromagnético). de JWST. A unos 33 mil millones de años luz de distancia, estas galaxias increíblemente distantes ofrecen información sobre cómo se formaron las primeras galaxias.

Aspecto y significado únicos.

A diferencia de otras galaxias confirmadas a esta distancia, que aparecen en las imágenes como puntos rojos, las nuevas galaxias son más grandes y parecen un maní y una bola esponjosa, según los investigadores. Un artículo que describe las galaxias aparece hoy (13 de noviembre) en la revista Cartas de revistas astrofísicas.

Los astrónomos estiman que hay 50.000 fuentes de luz del infrarrojo cercano representadas en esta imagen de campo profundo del cúmulo Pandora tomada por el Telescopio Espacial James Webb de la NASA. Su luz viajó distancias variables para llegar a los detectores del telescopio, representando la inmensidad del espacio en una imagen. Crédito: Ciencia: NASA, ESA, CSA, Ivo Lappé (Swinburne), Rachel Bezanson (Universidad de Pittsburgh), Procesamiento de imágenes: Alyssa Pagan (STScI)

«Se sabe muy poco sobre el universo temprano, y la única manera de aprender sobre esa época y probar nuestras teorías sobre la formación y el crecimiento temprano de las galaxias es a través de estas galaxias muy distantes», dijo el primer autor Bingyi Wang, investigador postdoctoral en la Universidad de Pensilvania. Eberly State College of Science y miembro de Equipo JWST UNCOVER (observaciones ultraprofundas de NIRSpec y NIRCam antes de la era de la reionización) quien realizó la investigación. «Antes de nuestro análisis, sólo conocíamos tres galaxias confirmadas a esta distancia extrema. El estudio de estas nuevas galaxias y sus propiedades ha revelado la diversidad de galaxias en el universo temprano y cuánto se puede aprender de ellas.

Información sobre el universo primitivo

Debido a que la luz de estas galaxias tuvo que viajar un largo tiempo para llegar a la Tierra, esto proporciona una ventana al pasado. El equipo de investigación estima que la luz descubierta por el Telescopio Espacial James Webb fue emitida desde las dos galaxias cuando el universo tenía unos 330 millones de años y viajó unos 13,4 mil millones de años luz para llegar al Telescopio Espacial James Webb. Pero los investigadores afirman que las galaxias se encuentran actualmente a más de 33 mil millones de años luz de la Tierra debido a la expansión del universo durante este período.

«La luz de estas galaxias es antigua, aproximadamente tres veces más antigua que la de la Tierra», dijo Joel Lyja, profesor asistente de astronomía y astrofísica en Penn State y miembro de UNCOVER. «Estas galaxias primitivas son como faros, la luz irrumpe a través del gas de hidrógeno muy delgado que formó el universo primitivo. Sólo a través de su luz podemos comenzar a comprender la extraña física que regía la galaxia cerca del amanecer cósmico».

Utilizando el telescopio espacial James Webb, los científicos han descubierto dos galaxias distantes en el cúmulo de Pandora, lo que proporciona nuevos conocimientos sobre el universo primitivo. Estas galaxias, únicas en tamaño y apariencia, desafían nuestra comprensión de la formación de galaxias en el universo primitivo. Crédito: NASA

Vale la pena señalar que las dos galaxias son mucho más grandes que las tres galaxias que existían anteriormente a estas grandes distancias. Uno es al menos seis veces más grande y mide unos 2.000 años luz de diámetro. Para comparacion, vía Láctea La galaxia tiene unos 100.000 años luz de diámetro, pero Wang cree que el universo primitivo era muy compacto, por lo que es sorprendente que la galaxia pueda ser tan grande.

«Las galaxias descubiertas previamente a estas distancias son fuentes puntuales. Aparecen como un punto en nuestras imágenes», dijo Wang. «Pero uno de los nuestros parece alargado, casi como un maní, y el otro parece una bola delgada. No está claro si la diferencia de tamaño se debe a cómo se formaron las estrellas o a lo que les sucedió después de que se formaron, pero la diversidad en Las propiedades de las galaxias son realmente interesantes. Se espera que estas primeras galaxias se hayan formado a partir de materiales similares, pero ya están mostrando signos de ser muy diferentes entre sí.

Metodología de investigación

Las dos galaxias se encontraban entre las 60.000 fuentes de luz del cúmulo de Pandora descubiertas en una de las primeras imágenes de campo profundo tomadas por el Telescopio Espacial James Webb durante 2022, el primer año de operaciones científicas. Se eligió esta región del espacio en parte porque se encuentra detrás de muchos cúmulos de galaxias que crean un efecto de aumento natural llamado lente gravitacional. La fuerza gravitacional de la masa combinada de los cúmulos distorsiona el espacio que los rodea, enfocando y amplificando cualquier luz que pasa cerca de ellos y proporcionando una vista ampliada detrás de los cúmulos.

En cuestión de meses, el equipo UNCOVER redujo las 60.000 fuentes de luz a 700 candidatas para estudios de seguimiento, ocho de las cuales creían que podrían estar entre las primeras galaxias. Luego, el Telescopio Espacial James Webb apuntó nuevamente al cúmulo de Pandora, registrando los espectros de los candidatos, una especie de huella digital que detalla la cantidad de luz emitida en cada longitud de onda.

«Varios equipos diferentes están utilizando diferentes métodos para buscar estas galaxias antiguas, cada una con sus propias fortalezas y debilidades», dijo Leija. «El hecho de que estemos apuntando esta lupa gigante al espacio nos da una ventana increíblemente profunda, pero es una ventana muy pequeña, así que estábamos tirando los dados. Muchos de los candidatos no fueron concluyentes, y al menos uno de ellos fue un caso de identidad equivocada. Era algo mucho más cercano». «Simula una galaxia distante. Pero tuvimos suerte y dos de ellas resultaron ser estas galaxias antiguas. Es increíble».

Propiedades y efectos

Los investigadores también utilizaron modelos detallados para inferir las propiedades de estas galaxias primitivas cuando emitían luz detectada por el Telescopio Espacial James Webb. Como esperaban los investigadores, las dos galaxias eran jóvenes, tenían poco metal en su composición, crecían rápidamente y formaban estrellas activamente.

«Los primeros elementos se formaron en los núcleos de las primeras estrellas mediante el proceso de fusión», dijo Lyga. «Es lógico que estas primeras galaxias no tuvieran elementos pesados ​​como los metales porque estuvieron entre las primeras fábricas en construir esos elementos pesados. Por supuesto, tendrían que ser jóvenes y formar estrellas para ser las primeras galaxias, pero confirmando Estas propiedades son una prueba fundamental importante de nuestros modelos y ayudan a confirmar el modelo completo de galaxias. la gran explosión teoría.»

Combinados con lentes gravitacionales, los potentes instrumentos infrarrojos del Telescopio Espacial James Webb deberían poder detectar galaxias a mayor distancia, si es que existen, señalaron los investigadores.

«Teníamos una ventana muy pequeña a esta región y no observamos nada fuera de estas dos galaxias, a pesar de que el Telescopio Espacial James Webb tiene la capacidad», dijo Leja. «Esto podría significar que las galaxias no se formaron antes de esa fecha y que no encontraríamos nada más lejos. O podría significar que no tuvimos la suerte suficiente debido a nuestra pequeña ventana».

Este trabajo fue el resultado de una propuesta exitosa presentada a la NASA proponiendo cómo se podría utilizar el Telescopio Espacial James Webb durante su primer año de operaciones científicas. En las primeras tres rondas de presentaciones, la NASA recibió de cuatro a diez veces más propuestas de las que permitiría el tiempo de observación disponible en el telescopio, y tuvo que seleccionar solo una parte de esas propuestas.

«Nuestro equipo estaba muy emocionado y un poco sorprendido cuando nuestra propuesta fue aceptada», dijo Leija. «Implicaba coordinación, acción humana rápida y apuntar el telescopio al mismo objeto dos veces, lo cual es mucho pedir a un telescopio en su primer año. Hubo mucha presión porque sólo teníamos unos pocos meses para decidir qué cosas Pero fue creado El Telescopio Espacial James Webb está trabajando para encontrar estas primeras galaxias, y es muy emocionante hacerlo ahora.

Referencia: “Detección: Arrojando luz sobre el universo temprano – Confirmación JWST/NIRSpec de la galaxia z>12” por Benjie Wang, 冰洁王, Seiji Fujimoto, Ivo Lappé, Lukas J. Furtak, Tim B. Miller, David J. Seaton, Adi Zittrain, Hakim Atiq, Rachel Besançon, Gabriel Brammer, Joel Leja, Pascal A. Ochs, Sedona H. Precio, Irina Chemerinska, Sam E. Cutler, Pratika Dayal, Peter van Dokkum, Andy de Golding, Jenny E. Verde, Y. . Vodamoto, Gaurav Khullar, Vasiliy Kokorev, Danilo Marchesini, Richard Pan, John R. Weaver, Katherine E. Whitaker y Christina C. Williams, 13 de noviembre de 2023. Cartas de revistas astrofísicas.
doi: 10.3847/2041-8213/acfe07

Además de Penn State, el equipo incluye investigadores de la Universidad de Texas en Austin, la Universidad Tecnológica de Swinburne en Australia, la Universidad Ben Gurion del Negev en Israel y la Universidad Ben Gurion del Negev en Israel. Universidad de YaleUniversidad de Pittsburgh, Universidad de la Sorbona en Francia, Universidad de Copenhague en Dinamarca, Universidad de Ginebra en Suiza, Universidad de Massachusetts, Universidad de Groningen en los Países Bajos, Universidad de PrincetonLa Universidad de Waseda en Japón, la Universidad de Tufts y el Laboratorio Nacional de Investigación de Astronomía Óptica e Infrarroja (NOIR).

Este trabajo fue apoyado por la NASA, la Fundación Bi-Science EE.UU.-Israel, la Fundación Nacional de Ciencias de EE.UU., el Ministerio de Ciencia y Tecnología de Israel, el Centro Nacional Francés de Estudios Espaciales, el Instituto Nacional Francés de Geociencias y Astronomía y el Centro de Investigación Centro. La Fundación para el Avance de la Ciencia, el Consejo de Investigación de los Países Bajos, la Comisión Europea y la Universidad de Groningen en la financiación conjunta del Programa Rosalind Franklin, el Observatorio Astronómico Nacional de Japón y el Laboratorio NOIR.