James Webb mide galaxias distantes entre 5 y 10 veces mejor que cualquier otro telescopio


El 25 de diciembre de 2021, después de muchos años de espera, el Telescopio Espacial James Webb (JWST) finalmente se lanzó al espacio. En el período de seis meses que siguió, este observatorio de próxima generación desplegó su protector solar, desplegó sus espejos primario y secundario, alineó sus segmentos de espejo y voló a su posición actual en el punto Tierra-Sol Lagrange 2 (L2). El 12 de julio de 2022 se publicaron las primeras imágenes y se presentaron las vistas más detalladas del Universo. Poco después, la NASA publicó una imagen de la galaxia más distante jamás observada (que existió solo 300 millones de años después del Big Bang).

Según un nuevo estudio realizado por un equipo internacional de científicos, el JWST permitirá a los astrónomos obtener mediciones precisas de la masa de las primeras galaxias. Usando datos de la cámara de infrarrojo cercano (NIRCam) de James Webb, que se proporcionó a través del programa GLASS-JWST-Early Release Science (GLASS-ERT), el equipo obtuvo estimaciones de masa de algunas de las galaxias distantes que eran muchas veces más precisas que mediciones anteriores. Sus hallazgos ilustran cómo Webb revolucionará nuestra comprensión de cómo crecieron y evolucionaron las primeras galaxias del Universo.

Créditos: NASA

El equipo de investigación (dirigido por Paola Santini del Observatorio Astronómico de Roma) incluyó a miembros del Instituto Nacional de Astrofísica (INAF) en Italia, la colaboración ASTRO 3D (Australia), el Instituto Nacional de Investigación Astronómica de Tailandia (ARIT), el Kavli Instituto de Astrofísica y Cosmología de Partículas (KIPAC), el Centro Cosmic Dawn (DAWN), el Instituto Niels Bohr, la Institución Carnegie para la Ciencia, el Centro de Análisis y Procesamiento de Infrarrojos en Caltech, y universidades e institutos en los EE. UU., Europa, Australia, y asia

Como indican en su estudio, la masa estelar es una de las propiedades físicas más importantes (si no la más) para comprender la formación y evolución de las galaxias. Mide la cantidad total de estrellas en una galaxia, que se agregan constantemente a través de la conversión de gas y polvo en nuevas estrellas. Por lo tanto, es el medio más directo de rastrear el crecimiento de una galaxia. Al comparar las observaciones de las galaxias más antiguas del Universo (las que se encuentran a más de 13 mil millones de años luz de distancia), los astrónomos pueden estudiar cómo evolucionaron las galaxias.

Desafortunadamente, obtener medidas precisas de estas primeras galaxias ha sido un problema constante para los astrónomos. Por lo general, los astrónomos realizarán mediciones de la relación masa-luz (M/L), donde la luz producida por una galaxia se usa para estimar la masa total de estrellas dentro de ella, en lugar de calcular las masas estelares fuente por fuente. base. Hasta la fecha, los estudios realizados por Hubble de las galaxias más distantes, como GN-z11, que se formó hace unos 13.500 millones de años, se limitaron al espectro ultravioleta (UV).

Esto se debe a que la luz de estas antiguas galaxias experimenta un importante desplazamiento hacia el rojo cuando llega a nosotros. Esto significa que a medida que la luz viaja a través del espacio-tiempo, su longitud de onda se alarga debido a la expansión del cosmos, desplazándola efectivamente hacia el extremo rojo del espectro. Para las galaxias cuyo valor de corrimiento al rojo (z) es siete o más, a una distancia de 13,46 años luz o más, gran parte de la luz se desplazará hasta el punto en que solo es visible en la parte infrarroja del espectro. Como explicó Santini a Universe Today por correo electrónico:

“La mayor parte de las estrellas en las galaxias, aquellas que en su mayoría contribuyen a su masa estelar, emiten en longitudes de onda del infrarrojo cercano óptico (NIR)… [B]y el tiempo que tarda la luz en viajar desde una galaxia distante hasta nuestros telescopios, la luz emitida por sus estrellas ya no está en el régimen óptico. Por ejemplo, para una galaxia z=7, la luz emitida originalmente a 0,6 micras llega a nuestro telescopio con una longitud de onda de 4,8 micras. Cuanto mayor sea el corrimiento al rojo (es decir, cuanto más distante esté la galaxia), más fuerte será este efecto”.

“Esto implica que necesitamos detectores infrarrojos para medir las masas estelares de las galaxias (la luz emitida por la mayor parte de sus estrellas está fuera del alcance del Telescopio Espacial Hubble). El único telescopio IR que teníamos antes de la llegada de JWST era el Telescopio Espacial Spitzer, descartado hace unos años. Sin embargo, su espejo de 85 cm no era comparable con el espejo de 6,5 m de JWST. La mayoría de las galaxias distantes también estaban fuera del alcance de Spitzer: debido a su limitada sensibilidad y resolución angular, no fueron detectadas (o afectadas por altos niveles de ruido) en sus imágenes.

Además, es probable que las encuestas anteriores pasen por alto una gran fracción de las galaxias intrínsecamente rojas que son ricas en polvo (que oscurece la luz) y débiles en el espectro UV. En consecuencia, las estimaciones previas de la densidad de masa estelar de las estrellas cósmicas del Universo primitivo podrían estar equivocadas por un factor de hasta seis. Pero gracias a su avanzado conjunto de instrumentos infrarrojos y su incomparable sensibilidad, el JWST está preparado para abrir «una nueva ventana» (como lo expresó Santini) para estudiar las galaxias más antiguas y débiles del Universo. Como expresó Santini, Webb permitirá las primeras mediciones de precisión de masas galácticas hasta las distancias más lejanas:

“Debido a todas estas limitaciones en la medición de la masa estelar, un enfoque comúnmente utilizado antes del lanzamiento de JWST era convertir la luz ultravioleta (que HST mide fácilmente) en una estimación de masa estelar asumiendo un promedio de masa a luz ultravioleta. relación. La relación luz-masa se calibró con las pocas e inciertas mediciones que teníamos, y era representativa solo de aquellas poblaciones de galaxias que se observaban más fácilmente (galaxias jóvenes, libres de polvo). Por lo tanto, las mediciones de la masa estelar eran propensas a grandes incertidumbres (tanto cuando se miden directamente como cuando se infieren de la luz ultravioleta)».

Para su estudio, Santini y su equipo internacional de investigadores se basaron en imágenes adquiridas por NIRCam el 28 y 29 de junio de 2022, como parte de su primer conjunto de observaciones. Luego midieron la masa estelar de 21 galaxias distantes (que oscilaron en el corrimiento al rojo de 6,7 a 12,3) sondeando su emisión UV y su luz óptica corrida al rojo. Como indicó Santini, esto les permitió evitar las grandes extrapolaciones e incertidumbres de estudios anteriores y aumentó la precisión de sus mediciones de masa en un factor de 5 a 10.

Un diagrama espectral que compara la luz emitida por un objeto con la luz desplazada hacia el rojo observada. A medida que el Universo se expande, estira la luz hacia frecuencias más bajas o hacia la porción roja del espectro. Crédito: NASA/ESA/C. cristiano/z. Leva (STScI)

“Al comparar las masas estelares con la luz ultravioleta (medida con las bandas NIRCam más azules), descubrimos que la relación M/L está lejos de ser aproximable con un solo valor promedio”, dijo. “En cambio, abarca aproximadamente dos órdenes de magnitud para una luminosidad dada. Desde un punto de vista físico, este hallazgo sugiere que la población de las primeras galaxias era en gran medida heterogénea, con galaxias que exhibían una amplia variedad de condiciones físicas”.

Estos resultados son parte de una creciente colección de estudios científicos que surgen de las primeras observaciones de James Webb, que muestran cuán fundamental será la misión. En este caso, la capacidad de ofrecer estimaciones más estrictas de la masa estelar en las galaxias ayudará en gran medida a los astrónomos que se dedican al estudio del cosmos en las escalas más grandes y largas (también conocida como cosmología). Santini dijo:

“La principal implicación es que los resultados anteriores sobre el proceso de crecimiento de masa en las galaxias podrían verse afectados por una sistemática significativa. En nuestro trabajo evaluamos, por ejemplo, el nivel de incertidumbre sistemática que afecta a la densidad de masa estelar cósmica. Este último describe el crecimiento global de las galaxias en el Universo en función del tiempo. Su valoración en épocas tempranas está sujeta a grandes variaciones de una obra a otra. Descubrimos que la incertidumbre sistemática que resulta de la suposición de una relación masa-luz estándar puede ser tan alta como un factor de unos pocos, definitivamente demasiado grande en comparación con el nivel de precisión que pretendemos alcanzar, y podría explicar, al menos en parte. el desajuste en los resultados de la literatura.”

La primera imagen tomada por el Telescopio Espacial James Webb. Crédito: NASA, ESA, CSA y STScI

Hasta ahora, Webb ha demostrado sus capacidades ópticas al capturar las imágenes más claras y detalladas del cosmos, que ya están dando lugar a nuevos descubrimientos. Sus espectrómetros han obtenido espectros de un exoplaneta distante, lo que demuestra cómo ayudará en la caracterización de las atmósferas de los exoplanetas y determinará si son realmente «habitables». Este último estudio muestra que también jugará un papel vital en la determinación de las características de las primeras galaxias del Universo, cómo han evolucionado desde entonces y el posible papel que juegan la Materia Oscura y la Energía Oscura.

Con información ArXiv

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