Mirando hacia el universo primitivo: Una historia de confirmación y refutación

Actualmente vemos un Universo repleto de estrellas, galaxias y agujeros negros supermasivos. Pero el Universo temprano probablemente era muy diferente. Los objetos familiares que vemos hoy en el Universo cercano apenas se parecen a sus predecesores, presentes cuando el Universo tenía apenas 500 millones de años. Las diferencias plantean fascinantes interrogantes. ¿Qué tan pronto se formaron las galaxias? ¿Qué aspecto tenían? ¿Cuándo y cómo empezaron a iluminar el universo las primeras estrellas y galaxias?

Antes de 1999, los astrónomos podían estimar la edad del Universo entre 7 y 20 mil millones de años. Gracias a los avances tecnológicos, ahora sabemos que el Universo tiene 13.800 millones de años, existiendo una incertidumbre respecto a sólo 200 millones de años.

Para dilucidar dichas interrogantes, los astrónomos de NOIRLab Pablo Arrabal Haro, Mark Dickinson y sus colegas investigaron las galaxias y agujeros negros más antiguos del cosmos, gracias al Telescopio Espacial James Webb (JWST) de NASA y al estudio Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS) Survey. Sus observaciones apoyan la creciente evidencia de que el Universo fue capaz de producir galaxias notablemente luminosas en épocas sorprendentemente tempranas, y también resaltan la importancia de las observaciones de seguimiento para confirmar o refutar objetos sobresalientes.

Impresión artística del telescopio espacial James Webb Space en el espacio, cerca de la Tierra.

Credit: NASA/dima_zel

Con el avance de la tecnología, los astrónomos han podido observar el Universo a distancias cada vez mayores desde la Tierra. De este modo han logrado observar cómo era el Universo en épocas cada vez más antiguas. Durante la última década, las observaciones han logrado retrasar el período estimado de formación de galaxias. Sin embargo, resultará difícil determinar en qué medida.

Galaxias tempranas inesperadamente brillantes y abundantes

El año pasado, los astrónomos que analizaron las primeras imágenes del JWST identificaron un gran número de galaxias sorprendentemente brillantes cuyos colores sugerían que se originaron en lugares lejanos y hace mucho tiempo, cuando el Universo tenía menos de 500 millones de años. Además, estas galaxias son inesperadamente luminosas, lo que sugiere que formaron estrellas antes y más rápidamente de lo que los astrónomos habían previsto.

“De confirmarse, CEERS-93316 establecería un nuevo récord siendo la galaxia más antigua jamás observada.”

Durante los primeros meses de ciencia en el año 2022 con el JWST, algunos objetos en particular causaron gran revuelo dentro de la comunidad astronómica. El equipo CEERS encontró varios candidatos brillantes, incluyendo la Galaxia de Maisie, que inicialmente se estimó podría estar presente cuando el Universo tenía menos de 400 millones de años. Otro equipo de la Universidad de Edimburgo encontró un objeto, CEERS-93316, más luminoso y distante, presente sólo 240 millones de años después del Big Bang. Con sólo imágenes y colores de JWST, estos objetos siguen siendo candidatos, pero de confirmarse, CEERS-93316 establecería un nuevo récord siendo la galaxia más antigua jamás observada y pondría en duda nuestra comprensión de la evolución cósmica temprana.

Hay mucho que explorar en esta vista panorámica, conocida como el estudio Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS). El mosaico se creó a partir de múltiples imágenes captadas por el telescopio espacial James Webb en luz infrarroja cercana. La combinación de imágenes revela alrededor de 100.000 galaxias. Las galaxias que llamaron la atención de los miembros del equipo de investigación CEERS son los puntos más pequeños y rojos que aparecieron por primera vez en las imágenes de Webb.

Credit: SCIENCE: NASA, ESA, CSA, S. Finkelstein (Universidad de Texas en Austin), M. Bagley (Universidad de Texas en Austin); Procesamiento de imagen: A. Pagan (STScI)

La comunidad de astronomía estaba entusiasmada con este posible descubrimiento récord. Pero antes de que los astrónomos pudieran celebrar, era necesario confirmar las distancias extremas y edades de estas galaxias mediante el potente espectrógrafo infrarrojo NIRSpec del JWST, que podría realizar mediciones de la luz de cada galaxia para determinar con precisión sus distancias. Arrabal Haro y Dickinson se propusieron emprender dicha tarea.

En un nuevo artículo científico, liderado por Arrabal Haro, publicado en la revista Nature, los equipos de CEERS y Edimburgo lograron observar varias de las primeras galaxias candidatas brillantes previamente descubiertas con NIRSpec. Al observar a las candidatas en un rango de diferentes longitudes de onda, los investigadores pueden ver en qué longitud de onda cada galaxia ya no es visible, lo que les permite deducir su edad cosmológica. Con estas observaciones se confirmó que tanto la galaxia Maisie como otra galaxia, denominada CEERS2_588, eran notablemente jóvenes y brillantes, y estaban presentes 390 y 410 millones de años después del Big Bang, respectivamente, cuando el Universo tenía menos del 3% de edad actual.

Lo que distingue a la galaxia de Maisie y a CEERS2_588 de las pocas otras galaxias confirmadas en esa época del Universo es que son más luminosas", dijo Arrabal Haro. "La confirmación de dos galaxias ultra-distantes y muy luminosas refuerza la idea de un rápido crecimiento de las galaxias en los primeros cientos de millones de años después del Big Bang, lo cual es difícil de explicar con nuestros modelos actuales de formación de galaxias".

Sin embargo, estas cruciales mediciones espectroscópicas permitieron exponer a la candidata a ser la galaxia más antigua jamás observada, CEERS-93316, como una astuta imitadora. Aunque anteriormente se pensaba que se formó cuando el Universo tenía sólo 240 millones de años, en realidad se ve mucho más tarde, cuando el Universo tenía 1.200 millones de años. Una coincidencia inusual de fuertes emisiones de hidrógeno y oxígeno, un fuerte oscurecimiento por el polvo y la distancia muy específica de la galaxia conspiran para imitar los colores de un objeto anterior mucho más distante, engañando a los investigadores que analizaron los datos anteriores del CEERS.

“Los candidatos extraordinarios requieren pruebas concluyentes.”

“¡Algunas veces se gana y otras se pierde!”, observó Dickinson. “Por un lado, hemos comprobado que hubo una población abundante de galaxias sorprendentemente luminosas en épocas muy tempranas, formando estrellas más rápidamente de lo que habíamos previsto. Al mismo tiempo, CEERS-93316 nos advierte: los candidatos extraordinarios requieren pruebas concluyentes”.

La galaxia de Maisie y CEERS-93316 se muestran en seis longitudes de onda infrarroja, con pequeños círculos resaltando cada objeto. Las galaxias son claramente visibles en las imágenes en longitudes de onda más largas (derecha), pero en longitudes de onda más cortas (izquierda) las galaxias 'quedan fuera de vista' y desaparecen. El espectro de la galaxia de Maisie muestra un 'corte' distintivo y agudo en una longitud de onda particular denominada Lyman alfa (Ly 𝛼), lo cual confirma que esta galaxia se observa sólo 390 millones de años después del Big Bang, en tanto que el espectro de CEERS-93316 se desvanece gradualmente desde de derecha a izquierda y presenta emisión de oxígeno (O), hidrógeno (H) y azufre (S), lo que indica que proviene del 'universo adolescente', 1.200 millones de años después del Big Bang.

Credit: NOIRLab/NSF/AURA/P. A. Haro

El equipo CEERS ha observado hasta ahora más de mil galaxias tenues con NIRSpec. En tres artículos científicos (dos liderados por Arrabal Haro de NOIRLab y uno por Seiji Fujimoto de la Universidad de Texas en Austin), han confirmado 16 galaxias en edades cósmicas entre 390 y 640 millones de años después del Big Bang. Estos resultados no sólo sirven a los astrónomos para avanzar en la comprensión del Universo temprano, al mostrar una gran abundancia de galaxias brillantes, mayor a la prevista, sino que también resalta la importancia de las observaciones de seguimiento para confirmar o refutar posibles descubrimientos innovadores.

"Sin mayor información, los colores de las galaxias pueden engañarnos", dijo Arrabal Haro, "pero la espectroscopia NIRSpec de JWST es una herramienta extraordinaria tanto para confirmar como para refutar los candidatos notables que JWST está descubriendo".