JWST ve el comienzo de la red cósmica

La red cósmica es la estructura a gran escala del universo. Si pudieras ver cómo se desarrolla nuestro universo desde el Big Bang hasta hoy, verías que estos filamentos (y los vacíos entre ellos) se forman con el tiempo. Ahora, los astrónomos que usan el JWST han encontrado diez galaxias que forman una versión muy temprana de esta estructura solo 830 millones de años después del comienzo del universo.

La «telaraña cósmica» comenzó como fluctuaciones en la densidad en el universo primitivo. Unos cientos de millones de años después del Big Bang, la materia (en forma de gas primordial) se condensó en nudos en las uniones de placas y filamentos de gas en la red primitiva. Estos nudos y filamentos albergaron las primeras estrellas y galaxias. Naturalmente, a medida que los astrónomos miren hacia atrás en el tiempo, buscarán versiones tempranas de la red cósmica. La tecnología JWST les permitió mirar hacia atrás a las cosas oscuras y opacas que existían poco después del Big Bang.

Las 10 galaxias que el equipo observó se alinean en un delgado filamento de tres millones de años luz de diámetro que se mantiene unido por un cuásar brillante. Su aparición sorprendió al equipo por su tamaño y lugar en la historia cósmica. «Esta es una de las estructuras filamentosas más antiguas que la gente ha encontrado asociada con un quásar distante», agregó Vig Wang de la Universidad de Arizona en Tucson, el investigador principal de este programa.

Aspirar a comprender el universo primitivo y la red cósmica

Las observaciones del JWST son parte de un programa de monitoreo llamado ASPIRE: un estudio de espectroscopia de halos de polarización en la era de la reionización. Utiliza imágenes y espectros de 25 cuásares que existieron en el pasado cuando el universo comenzó a aclararse después de las «edades oscuras». La idea es estudiar la formación de las galaxias más cercanas posibles, así como el nacimiento de los primeros agujeros negros. Además, el equipo espera comprender cómo el universo primitivo se enriqueció con elementos más pesados ​​(metales) y cómo sucedió todo durante la era de la reionización.

Los objetivos de ASPIRE son una parte importante para comprender el origen y la evolución del universo. «Las últimas dos décadas de investigación en cosmología nos han brindado una sólida comprensión de cómo se formó y evolucionó la red cósmica. ASPIRE tiene como objetivo comprender cómo la aparición de los agujeros negros masivos más antiguos puede incorporarse a nuestra historia actual de formación de estructuras cosmológicas», explicó. miembro del equipo Joseph Henawi de la Universidad de California, Santa Bárbara.

Centrarse en los primeros agujeros negros

Los cuásares atraen a través del tiempo y el espacio. Están alimentados por agujeros negros supermasivos que, junto con poderosos chorros, producen cantidades increíbles de luz y otras emisiones. Los astrónomos las usan como velas estándar para medir distancias, así como una forma de estudiar las vastas regiones del espacio a través de las cuales pasa la luz.

Al menos ocho de los cuásares del estudio ASPIRE tienen agujeros negros que se formaron menos de mil millones de años después del Big Bang. La masa de estos agujeros negros oscila entre 600 millones y 2 mil millones de veces la masa del sol. Esto es realmente muy grande y plantea muchas preguntas sobre su rápido crecimiento. Para que estos agujeros negros supermasivos se formen en tan poco tiempo, se deben cumplir dos criterios. Primero, debe comenzar a crecer a partir de una «semilla» de agujero negro supermasivo. En segundo lugar, incluso si esta semilla comenzó con una masa equivalente a mil soles, todavía necesitaba acumular un millón de veces más materia al ritmo máximo posible a lo largo de su vida”, explicó Wang.

Para que estos agujeros negros crecieran como lo hicieron, necesitaban mucho combustible. Sus galaxias también eran muy masivas, lo que podría explicar los monstruosos agujeros negros en sus núcleos. Esos agujeros negros no solo absorbieron una gran cantidad de material, sino que sus salidas también afectaron la formación de estrellas. Los fuertes vientos de los agujeros negros pueden impedir la formación de estrellas en la galaxia anfitriona. Tales vientos se han observado en el universo cercano, pero no se observaron directamente en la era de la reionización «, dijo Yang. «El tamaño del viento está relacionado con la estructura del cuásar. En las observaciones de Webb, vemos que tales vientos existieron en el universo primitivo».

¿Por qué la edad?

A menudo oímos hablar de astrónomos que quieren volver a la era de la reionización. ¿Por qué es un objetivo tan desconcertante? Ofrece una mirada a la época en que se formaron las primeras estrellas y galaxias. Después del Big Bang, el universo infantil estaba en un estado denso y caliente. A veces escuchamos que se refiere a ella como la sopa del universo primordial. Después de eso, la expansión se hizo cargo y las cosas comenzaron a enfriarse. Esto permitió que los electrones y los protones se combinaran para formar los primeros átomos de gas neutro. También permitió la propagación de la energía térmica del Big Bang. Los astrónomos detectan esta radiación. Está desplazado hacia el rojo en la porción de microondas del espectro electromagnético. Los astrónomos lo llaman radiación de fondo cósmico de microondas (CMB).

Este lado del universo primitivo tenía ligeras fluctuaciones de densidad en su materia en expansión. Esa sustancia era hidrógeno neutro. Todavía no había estrellas ni galaxias. Pero, finalmente, estas regiones de alta densidad comenzaron a agruparse bajo la influencia de la gravedad, lo que provocó que la materia neutra también comenzara a agruparse. Esto condujo a un mayor colapso de las regiones de alta densidad, lo que eventualmente condujo al nacimiento de las primeras estrellas. Calentaron el material circundante, que abrió agujeros en las zonas neutras, lo que permitió el paso de la luz. Esencialmente, esos agujeros (o burbujas) en el gas neutral permitieron que la radiación ionizante viajara más lejos a través del espacio. Era el comienzo de la era de la reionización. Mil millones de años después del Big Bang, el universo estaba completamente ionizado.

Entonces, ¿cómo se explican los primeros agujeros negros supermasivos?

Curiosamente, esas primeras galaxias que encontró JWST, junto con sus cuásares, ya estaban en su lugar, con agujeros negros supermasivos en sus núcleos. La pregunta principal sigue siendo: ¿Cómo se hicieron tan grandes tan rápido? Su presencia puede decirles a los astrónomos algo sobre las «densidades extra» en el universo infantil. Primero, la «semilla» de un agujero negro necesita una región densa llena de galaxias para poder formarse.

Sin embargo, hasta ahora, las observaciones anteriores al descubrimiento de JWST han encontrado solo unas pocas densidades de galaxias aumentadas alrededor de los agujeros negros supermasivos más antiguos. Los astrónomos necesitan hacer más observaciones en esta era para explicar por qué. El programa ASPIRE debería ayudar a resolver preguntas sobre la retroalimentación entre la formación de galaxias y la creación de agujeros negros en esta era tan temprana del universo. En el camino, también deberían ver más fragmentos de la estructura a gran escala de la red cósmica del universo a medida que toma forma.

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