En busca de las galaxias más antiguas del universo

Una investigación reciente ha descubierto nueve galaxias candidatas a ser las más distantes y antiguas conocidas. Mediante una combinación de imágenes tomadas con el instrumento NIRCam del telescopio espacial James Webb (JWST), estas galaxias pudieron distinguirse de objetos astronómicos más cercanos. La luz procedente de estas galaxias se emitió tan solo entre 100 millones de años y 200 millones después del Big Bang, lo que significa que podrían ser las primeras galaxias formadas en el universo, o estar entre las primeras.

La investigación la ha hecho un equipo internacional dirigido por Pablo G. Pérez-González, del Centro de Astrobiología (CAB, un centro mixto del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y el Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA), en España todas estas instituciones). Por parte del CAB, también han colaborado Luca Costantin, Marianna Annunziatella, Luis Colina, Javier Álvarez Márquez, Alejandro Crespo Gómez y Mahoud Hamed.

Los análisis de imágenes del cosmos profundo son la forma más eficiente de encontrar galaxias muy distantes. Las galaxias jóvenes contienen estrellas que emiten la mayor parte de su luz entre el segmento ultravioleta (UV) y el visible, que es la luz que ve el ojo humano. En longitudes de onda más cortas que el UV, el llamado salto de Lyman, emiten poca o ninguna luz. Cuando las galaxias están muy lejos, a altos corrimientos al rojo (z), el salto de Lyman se desplaza a longitudes de onda más largas y se vuelven invisibles en filtros que cubren la luz más azul. Por ejemplo, las galaxias que existieron cuando el universo tenía solo 1500 millones de años aparecen invisibles en el tipo de luz que ve el ojo humano, el visible, mientras que aún se ven en longitudes de onda más largas (estas se llaman galaxias dropout, o desertoras en español). Cuanto más rojo sea el filtro donde una galaxia tiene el dropout, más distante es probable que esté.

En última instancia, se requiere una observación espectroscópica para confirmar el corrimiento al rojo. Sin embargo, dado que estas requieren más tiempo de observación y solo pueden identificar un número limitado de galaxias por observación, los estudios de imágenes son el primer paso. Utilizando esta técnica con el telescopio espacial Hubble, se pudieron encontrar galaxias con corrimientos al rojo de hasta aproximadamente 10. Con el JWST, que explora longitudes de onda más allá del infrarrojo, se han encontrado muchas más galaxias candidatas con corrimientos al rojo muy altos. Actualmente, la galaxia más distante confirmada espectroscópicamente tiene un corrimiento al rojo de 14. El corrimiento al rojo se incrementa poco a poco, pero la edad correspondiente del universo cambia mucho más rápidamente, son 500 millones de años a z=10 y 300 a z=14.

Como parte del programa MIDIS, dirigido por Göran Östlin de la Universidad de Estocolmo (Suecia) y Luis Colina del Centro de Astrobiología (España), se obtuvieron imágenes de una profundidad sin precedentes del Campo Ultraprofundo del Hubble en longitudes de onda superiores a 5 micrómetros. En este programa, la Cámara de Infrarrojo Cercano (NIRCam) del JWST observó una zona del cielo que ya había sido parcialmente cubierta por otra exploración profunda (NGDEEP). Las imágenes se combinaron para lograr una profundidad sin precedentes (90 horas de observaciones en el filtro con el mayor tiempo de exposición), lo que permitió encontrar candidatos a galaxias con un corrimiento al rojo muy alto mediante la técnica de dropout.

“Estaba analizando los datos con la esperanza de encontrar algunas candidatas con corrimientos al rojo extremos, un poco más alejadas que las más distantes descubiertas previamente, pero, para mi sorpresa, encontré nueve candidatas significativamente más distantes. Podríamos decir que estamos investigando la época en que las galaxias aparecieron por primera vez”, comenta el autor principal, Pablo G. Pérez-González.

Tras investigar cuidadosamente todas las posibles candidatas y fuentes de error, el equipo internacional obtuvo una muestra de nueve candidatas sólidas, seis con un corrimiento al rojo de 17 y tres con un corrimiento al rojo de 25, que significa que emitieron su luz 200 millones de años y 100 millones después del Big Bang, respectivamente. Estos resultados implican que en aquella época del universo había más galaxias de lo que se ha venido creyendo y que su formación comenzó antes de lo previsto por los modelos teóricos.

Detalle de la imagen más profunda captada por el JWST, obtenida por los programas MIDIS y NGDEEP, donde una de las galaxias candidatas a un corrimiento al rojo de 17 se marca y se muestra en detalle en el panel derecho. Estas imágenes en falso color se construyeron con tres filtros diferentes del instrumento NIRCam, que cubren longitudes de onda de 1,5, 2,0 y 2,77, imperceptibles para el ojo humano y mucho mejor observables desde el espacio. Cada pequeño punto en las imágenes representa una galaxia (o, en algunos casos, estrella). El color rojo de la galaxia en z~17 se debe al elevado corrimiento al rojo, lo que hace que desaparezca en los filtros más azules de NIRCam. La galaxia no se detecta en estos filtros más azules y, por lo tanto, aparece roja en la composición en color. Las galaxias recién descubiertas se habrían formado entre 125 y 200 millones de años después del Big Bang, cuando la edad del universo era de tan solo el 1 por ciento de la actual. (Imagen: ESA / Webb / NASA / CSA / Pablo Pérez-González / Jens Melinder)

“El sondeo de imágenes profundas MIRI y sus observaciones paralelas con NIRCam se diseñaron para ampliar nuestro conocimiento de las galaxias en el universo temprano. Encontrar candidatos a galaxias tan distantes supera nuestras expectativas iniciales, pero demuestra el poder del JWST para transformar el panorama astrofísico”, afirma Göran Östlin.

El estudio se titula “The rise of the galactic empire: luminosity functions at z∼17 and z∼25 estimated with the MIDIS+NGDEEP ultra-deep JWST/NIRCam dataset”. Y se ha publicado en la revista académica The Astrophysical Journal. (Fuente: CAB)