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| Fotograma de un vídeo que muestra la formación y evolución de las primeras estrellas y galaxias en un universo virtual similar al nuestro. Crédito: Dr. Harley Katz, Beecroft Fellow, Departamento de Física, Universidad de Oxford. |
El estudio, publicado en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, sugiere que el telescopio espacial James Webb (JWST) de la NASA, cuyo lanzamiento está previsto para noviembre, será lo suficientemente sensible como para observar directamente el nacimiento de las galaxias.
El equipo de investigación dirigido por el Reino Unido examinó seis de las galaxias más lejanas conocidas actualmente, cuya luz ha tardado la mayor parte de la vida del universo en llegar hasta nosotros. Descubrieron que la distancia de estas galaxias respecto a la Tierra correspondía a un tiempo de "mirada atrás" de más de 13.000 millones de años, cuando el universo tenía solo 550 millones de años.
Analizando las imágenes de los telescopios espaciales Hubble y Spitzer, los investigadores calcularon que la edad de estas galaxias oscilaba entre los 200 y los 300 millones de años, lo que permite estimar cuándo se formaron sus estrellas por primera vez.
El autor principal, el Dr. Nicolas Laporte (Universidad de Cambridge), que inició el proyecto mientras estaba en la UCL, dijo: "Los teóricos especulan que el universo fue un lugar oscuro durante los primeros cientos de millones de años, antes de que se formaran las primeras estrellas y galaxias."
"Ser testigo del momento en que el universo se bañó por primera vez en la luz de las estrellas es una búsqueda importante en la astronomía."
"Nuestras observaciones indican que el amanecer cósmico se produjo entre 250 y 350 millones de años después del comienzo del universo y, en el momento de su formación, galaxias como las que estudiamos habrían sido lo suficientemente luminosas como para ser vistas con el telescopio espacial James Webb".
Los investigadores analizaron la luz estelar de las galaxias registrada por los telescopios espaciales Hubble y Spitzer, examinando un marcador en su distribución de energía que indica la presencia de hidrógeno atómico* en sus atmósferas estelares. Esto proporciona una estimación de la edad de las estrellas que contienen.
El vídeo muestra la formación y evolución de las primeras estrellas y galaxias en un universo virtual similar al nuestro. La simulación comienza justo antes del amanecer cósmico, cuando el universo carece de luz estelar, y se extiende hasta la época de 550 millones de años después del Big Bang, cuando se observan las seis galaxias analizadas por el Dr. Laporte y sus colegas. La edad del universo en millones de años se muestra en la parte superior izquierda. El recuadro se centra en la evolución de una galaxia similar a las del reciente estudio observacional. Las regiones púrpuras muestran la distribución filamentosa del gas, compuesto principalmente por hidrógeno. Las regiones blancas representan la luz de las estrellas y las amarillas la radiación energética de las estrellas más masivas, capaz de ionizar el gas de hidrógeno circundante. Cuando las estrellas masivas alcanzan rápidamente el final de su vida, estallan en violentas explosiones de supernova que expulsan el gas circundante permitiendo la salida de esta radiación energética. Las galaxias como la que se muestra acumulan continuamente material de sistemas cercanos más pequeños y se ensamblan rápidamente para formar las galaxias más sustanciales observadas por el telescopio espacial Hubble en épocas posteriores. Crédito: Dr. Harley Katz, Beecroft Fellow, Departamento de Física, Universidad de Oxford
Esta señal de hidrógeno aumenta su intensidad a medida que la población estelar envejece, pero disminuye cuando la galaxia tiene más de mil millones de años. La dependencia de la edad se debe a que las estrellas más masivas que contribuyen a esta señal queman su combustible nuclear más rápidamente y, por tanto, mueren antes.
El Dr. Romain Meyer, coautor del estudio (UCL Physics & Astronomy y el Instituto Max Planck de Astronomía de Heidelberg, Alemania), afirma: "Este indicador de la edad se utiliza para datar la galaxia: "Este indicador de edad se utiliza para datar estrellas de nuestro propio vecindario en la Vía Láctea, pero también puede utilizarse para datar galaxias extremadamente remotas, vistas en un periodo muy temprano del universo."
"Usando este indicador podemos inferir que, incluso en estos tiempos tempranos, nuestras galaxias tienen entre 200 y 300 millones de años".
Al analizar los datos del Hubble y del Spitzer, los investigadores necesitaron estimar el "corrimiento al rojo" de cada galaxia, que indica su distancia cosmológica y, por tanto, el tiempo de retrospección en el que se observan. Para ello, realizaron mediciones espectroscópicas utilizando todo el arsenal de potentes telescopios terrestres: el Atacama Large Millimetre Array (ALMA) chileno, el Very Large Telescope europeo, los telescopios gemelos Keck de Hawai y el telescopio Gemini-South.
Estas mediciones permitieron al equipo confirmar que observar estas galaxias correspondía a retroceder a una época en la que el universo tenía 550 millones de años.
El coautor, el profesor Richard Ellis (Física y Astronomía de la UCL), que ha rastreado galaxias cada vez más lejanas a lo largo de su carrera, dijo: "En la última década, los astrónomos han hecho retroceder las fronteras de lo que podemos observar hasta una época en la que el universo tenía solo el 4% de su edad actual. Sin embargo, debido a la limitada transparencia de la atmósfera terrestre y a las capacidades de los telescopios espaciales Hubble y Spitzer, hemos llegado a nuestro límite.
"Ahora esperamos con impaciencia el lanzamiento del telescopio espacial James Webb, que creemos que tiene la capacidad de presenciar directamente el amanecer cósmico."
"La búsqueda de este importante momento en la historia del universo ha sido un santo grial en la astronomía durante décadas. Dado que estamos hechos de material procesado en las estrellas, se trata en cierto modo de la búsqueda de nuestros propios orígenes "**.
En el nuevo estudio participaron astrónomos de la Universidad de California-Santa Cruz, la Universidad de California y la Universidad de Texas.
Los investigadores recibieron apoyo de la Fundación Kavli, el Consejo Europeo de Investigación, la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) y la Fundación Nacional de la Ciencia (NSF) de Estados Unidos.
Está previsto que el telescopio espacial James Webb, dirigido por la NASA y sucesor del observatorio Hubble, sea lanzado al espacio en noviembre. Será el principal observatorio de la próxima década y servirá a miles de astrónomos de todo el mundo. Consta de un observatorio infrarrojo, un inmenso espejo de 6,5 metros de ancho y un parasol en forma de diamante. Los científicos de la UCL del Laboratorio de Ciencias Espaciales Mullard han construido y probado componentes de hardware clave para el NIRSpec (Espectrógrafo de infrarrojo cercano), uno de los cuatro instrumentos del telescopio.
*El hidrógeno atómico es el hidrógeno que no se ha dividido en protones y electrones.
**Todos los elementos más pesados del universo, excepto el hidrógeno, el helio y el litio, se sintetizan en las estrellas y se dispersan por el universo cuando estas explotan al final de su vida. Esto incluye los elementos que componen a los humanos: el calcio de nuestros huesos, el hierro de nuestra sangre.
Fuentes, créditos y referencias:
“Probing cosmic dawn: Ages and star formation histories of candidate z =
9 galaxies” by N Laporte, R A Meyer, R S Ellis, B E Robertson, J
Chisholm and G W Roberts-Borsani, 24 June 2021, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
DOI: 10.1093/mnras/stab1239