Por Armando Mudrik
Las galaxias distantes que han sido observadas en las primeras imágenes obtenidas por el Telescopio Espacial James Webb sugieren que debemos repensar nuestras ideas acerca de la evolución de las estrellas y las galaxias en el universo primitivo.
Los primeros resultados del telescopio espacial James Webb, según hipótesis elaboradas en trabajos científicos pronto a publicarse, parecen indicar que las galaxias masivas y luminosas ya se habían formado en los primeros 250 millones de años posteriores al Big Bang, evento considerado punto de inicio de la formación del universo. Esta tesis, de confirmarse, pondría en discusión muchos supuestos del modelo cosmológico estándar actual.
Poco después de que el área de prensa de la NASA publicase el primer lote de imágenes del telescopio espacial Webb, el servidor de publicaciones astrofísicas (aún en proceso de evaluación), arXiv , se plagó de artículos que afirmaban la detección de galaxias tan remotas que su luz habría tardado unos 13.500 millones de años en llegar hasta nosotros. Muchas de estas galaxias parecen ser más masivas que lo que plantea el modelo cosmológico estándar que describe la composición y evolución del universo. Por ahora, no obstante, estas ideas siguen en discusión.
La primera imagen capturada por el telescopio espacial Webb y revelada al público el lunes 11 de julio de 2022, muestra miles de galaxias en una pequeña porción del cielo.Muchas de estas galaxias forman parte de un cúmulo llamado SMACS 0723 y otras están mucho más distantes. La masa de las galaxias y la materia oscura del entorno produce el desvío de la luz de fondo de las galaxias formando así imágenes distorsionadas, pero haciéndolas más fáciles de visualizar a causa del efecto de la lente gravitatoria. Crédito: NASA / ESA / CSA / STScI.
A la búsqueda de galaxias lejanas
Las estrellas jóvenes y masivas de las galaxias recién nacidas emiten gran cantidad de radiación ultravioleta. A medida que esta luz se desplaza a lo largo de miles de millones de años por el espacio en expansión, las longitudes de onda de esta luz se “estiran” o se desplazan hacia el rojo o hasta el infrarrojo del espectro debido al denominado efecto Doppler. Justamente el infrarrojo es la radiación a la que son sensibles los instrumentos del Webb.
Se necesitan, no obstante, cuidadosas mediciones espectroscópicas. Ya sea con los espectrómetros del James Webb o con el observatorio terrestre ALMA (que opera a longitudes de onda aún más largas) para determinar con precisión los corrimientos al rojo (indicador de a qué distancia -y, por lo tanto, a qué profundidad en el tiempo- se está observando).
Dado que la cámara del telescopio James Webb sensible a la radiación infrarroja cercana, NIRCam, realiza mediciones a través de un gran número de filtros, cada uno de los cuales cubre una banda de longitudes de onda diferente una galaxia puede ser visible en algunos canales pero no en otros. La banda de longitud de onda en la que la galaxia desaparece indica aproximadamente su desplazamiento al rojo y, por lo tanto, la profundidad en el tiempo en la que se está observando el universo (ver imagen inferior).
Estas imágenes tomadas por la cámara de infrarrojo cercano del James Webb muestran la galaxia CEERS-93316 en seis filtros diferentes: F115W (centrado en 1.154 µm), F150W (centrado en 1.501 µm), F200W (centrado en 1.989 µm), F277W (centrado en 2.762 µm), F356W (centrado en 3.568 µm) y F444W (centrado en 4.408 µm). Crédito: Donnan et al. 2022 Fuente: The evolution of the galaxy UV luminosity function at redshifts z ‘ 8 – 15 from deep JWST and ground-based near-infrared imaging
Solo seis días después de que los primeros datos científicos producidos por el telescopio James Webb estuvieran disponibles, el 19 de julio de 2022, dos equipos independientes de astrónomos presentaron sus análisis basados en la técnica antes citada. Ambos grupos, uno dirigido por Rohan Naidu (Centro de Astrofísica, Harvard y Smithsonian, Estados Unidos), y el otro, por Marco Castellano (Observatorio de Roma, Italia), encontraron dos candidatas a galaxias relativamente brillantes que residen en un universo primitivo del orden de 400 y 325 millones de años de edad (respectivamente) posteriores al Big Bang.
Pero la cosa no se detuvo aquí. En los días siguientes, otros dos equipos independientes, dirigidos por Callum Donnan (Universidad de Edimburgo, Escocia) y por Yuichi Harikane (Universidad de Tokio, Japón), anunciaron el tentador hallazgo de una galaxia inesperadamente masiva a sólo 225 millones de años después del Big Bang. Y por si se quedaron con ganas de más, en otro estudio, Haojing Yan y sus colegas (Universidad de Missouri, Estados Unidos) llegaron a afirmar que según sus estimaciones algunas de sus galaxias candidatas observadas con el James Webb podrían encontrarse a una distancia correspondiente a un universo de 180 millones de años después del Big Bang.
Pero no todo es tan fácil en ciencia y los aportes como estos deben ser discutidos y aceptados dentro del campo de la astrofísica. Como pasa en otras ciencias, los pares científicos de estas disciplinas deben llegar a un consenso que permita aceptar estos nuevos datos. Dado a las dinámicas propias de los procesos de publicación de datos que articulan con aspectos como el prestigio o la legitimidad de un grupo de investigación; es comprensible que los equipos se apresuren a publicar sus resultados. En este sentido, para algunos grupos de investigación es muy importante ser el primero, pero también aquí es cierto que todo el mundo tiene mucha curiosidad por saber qué hay en los datos del telescopio espacial James Webb.
Antes de que la comunidad científica acepte estos aportes, las distancias de estas galaxias o los corrimientos al rojo reportados tienen que ser confirmados espectroscópicamente. Una cosa es compartir un artículo en el sitio abierto de arXiv. Otra muy distinta es publicar un artículo en una revista que posee el proceso de revisión hecho por pares.
Hasta ahora, los astrónomos han encontrado candidatos a galaxias lejanas en cuatro zonas del cielo. Algunos han explorado la vecindad de SMACS 0723-73, el cúmulo de galaxias situado en la constelación meridional de Volans (el Pez Volador), que aparece en la primera imagen de Webb publicada. Otros examinaron dos estudios en curso, el Grism Lens-Amplified Survey from Space (GLASS, por sus siglas en inglés) y el Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS, por sus siglas en inglés), en las constelaciones de Sculptor y Boötes, respectivamente. Además, se descubrieron tres candidatas en otra imagen de las primeras liberadas en julio, la del Quinteto de Stephan, un grupo compacto de galaxias en la constelación de Pegaso.
Esta imagen forma parte de un mosaico más amplio tomado con la cámara de infrarrojo cercano (NIRCam, por sus siglas en inglés) del telescopio espacial James Webb. Es de una zona del cielo cercana a “la cola” de la constelación boreal de la Osa Mayor. Es una de las primeras imágenes obtenidas por la colaboración con el proyecto denominado Cosmic Evolution Early Release Science Survey (CEERS, por sus siglas en inglés). Galaxias lejanas serán observadas en muchas imágenes del James Webb, pero el CEERS es uno de los emprendimientos creados específicamente para ayudar a divisarlas. Crédito: NASA / STScI / CEERS / TACC / S. Finkelstein / M. Bagley / Z. Levay.
Es difícil hacer un seguimiento de todos los nuevos aportes, en parte porque cada equipo utiliza su propio catálogo o esquema de clasificación de objetos, y además realiza diferentes análisis físicos. Por ejemplo, una de las galaxias candidatas a ser una de las más distantes del universo observado se conoce como ID93316, CEERS-1749 o CR2-z17-1. Esta galaxia también muestra algunos de los problemas que plantea la detección de galaxias lejanas de este modo. De hecho, según trabajos de otros equipos, podría tratarse de una galaxia mucho más cercana y tan cargada de polvo en su medio interestelar que es observada desaparecer en longitudes de onda más largas, del mismo modo que lo hacen las galaxias efectivamente más lejanas. En este sentido, un equipo dirigido por Jorge Zavala (Observatorio Astronómico Nacional de Japón), sostiene que esta galaxia se encontraría en un universo correspondiente a un tiempo de retrospección de 12.600 millones de años.
Pero estas faltas de consenso no deben generar angustia, es parte del proceso de construcción de conocimiento en las ciencias. Correrá mucha agua por el puente hasta confirmar que las candidatas a galaxias más lejanas están realmente tan lejos.
¿Qué dicen las galaxias lejanas acerca del universo primitivo?
En muchos de los artículos publicados hasta ahora, los autores afirman que sus resultados, de confirmarse, podrían poner en tela de juicio el modelo estándar de la cosmología, conocido como Materia Oscura Fría Lambda (ΛCDM). Según este modelo, la evolución del universo está gobernada por la energía oscura (denotada por la letra griega lambda, Λ) y la materia oscura fría (CDM), que constituye casi el 85% de toda la materia del universo. En este esquema cosmológico, las primeras galaxias podrían haber surgido tan sólo 200 millones de años después del Big Bang, pero serían poco masivas y brillantes, parecidas a pequeñas galaxias clasificadas como “enanas”. En cambio, según estos últimos trabajos surgidos de observaciones realizadas por el telescopio James Webb, algunas de las galaxias candidatas más distantes parecieran contener alrededor del 1 % de la masa de la Vía Láctea (nuestra galaxia) lo que ya es mucho para esa época temprana, según el modelo ΛCDM.
Aún más, como si estos aportes fueran poco controversiales, Ivo Labbé y sus colegas (Universidad Tecnológica de Swinburne, Australia) proponen haber observado incluso una galaxia con una masa comparable a la de nuestra galaxia en un universo temprano correspondiente a 500 millones de años después del Big Bang. Pero el campo astronómico aún se mantiene cauteloso con estas afirmaciones o aportes.
Las estimaciones de la masa de una galaxia distante se basan en su luminosidad observada en varias longitudes de onda, que, por cierto, podría verse afectada por la calibración en curso de los instrumentos del Webb. Pero las estimaciones también suponen que el número relativo de estrellas de baja y alta masa es el mismo que en la Vía Láctea. Sin embargo, las presiones y temperaturas más elevadas del universo primitivo podrían haber suprimido la formación de estrellas de baja masa en aquella época. O sea, el panorama físico es muy complejo como para apurarse o especular.
En suma, el veredicto final tendrá que esperar a las observaciones espectroscópicas de seguimiento detalladas, y por lo tanto a más tiempo de observación con el telescopio espacial James Webb para aclarar las cosas. Así y todo, una cosa es segura: en sus primeras semanas de funcionamiento, el nuevo telescopio espacial James Webb ya supera las expectativas de la mayoría de los astrónomos.
Fuentes
Two Remarkably Luminous Galaxy Candidates at z ≈ 11 − 13 Revealed by JWST
Early results from GLASS-JWST. III: Galaxy candidates at z∼9-15∗
The evolution of the galaxy UV luminosity function at redshifts z ‘ 8 – 15
A Comprehensive Study on Galaxies at z ∼ 9 − 17 Found in the Early JWST Data: UV Luminosity Functions and Cosmic Star-Formation History at the Pre-Reionization Epoch
First Batch of Candidate Galaxies at Redshifts 11 to 20 Revealed by the James Webb Space Telescope Early Release Observations
Schrodinger’s Galaxy Candidate: Puzzlingly Luminous at z ≈ 17, or Dusty/Quenched at z ≈ 5?
A dusty starburst masquerading as an ultra-high redshift galaxy in JWST CEERS observations
A very early onset of massive galaxy formation
A dusty starburst masquerading as an ultra-high redshift galaxy in JWST CEERS observations
webb Space Telescope
