Cuantos más astrónomos observan el universo primitivo, más descubrimientos hacen. Algunos de esos hallazgos cambian lo que creían saber sobre la infancia del cosmos. Por ejemplo, el Telescopio Espacial James Webb (JWST) encontró recientemente evidencia de moléculas y polvo a base de carbono que existen solo mil millones de años después del Big Bang. Se ve un poco diferente del polvo observado más tarde en el universo.
El descubrimiento de JWST proviene de un primer estudio de galaxias llamado JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey). El sondeo dedicó 32 días del tiempo del telescopio a observar y caracterizar galaxias tempranas tenues. El polvo que observó estaba en al menos una de esas cientos de galaxias estudiadas. Parece consistir en granos de grafito o diamantes, algo que vemos mucho en las últimas etapas de la historia cósmica.
Sus firmas químicas se parecen notablemente a las moléculas a base de carbono llamadas “hidrocarburos aromáticos policíclicos” (HAP). Esas moléculas abundan más adelante en el universo, pero no es probable que existieran cuando el universo tenía solo mil millones de años. Entonces, ¿cómo podrían existir los doppelgangers de las moléculas PAH tan temprano en la historia?
Determinar una fuente para esas moléculas basadas en carbono
El astrónomo Joris Witsok, autor principal de un artículo que describe el descubrimiento, especuló que los granos similares a diamantes provenían de los escombros expulsados en las explosiones de supernovas. “Esto también podría ser producido potencialmente en escalas de tiempo cortas por estrellas Wolf-Rayet o eyecciones de supernovas”, explicó.
Estas viejas estrellas supercalientes pueden ser progenitoras de algunos tipos de explosiones de supernova. Serían las cunas perfectas para la creación de nano-diamantes y otro polvo a base de carbono. De hecho, algunos modelos muestran que los granos ricos en carbono provienen de ciertos tipos de estrellas Wolf-Rayet. No solo eso, sino que esos granos pueden sobrevivir cuando las estrellas explotan como supernovas.
La siguiente pregunta es si tales estrellas existieron o no en el universo primitivo para producir el polvo que observó JWST. El polvo ciertamente proporciona pistas tentadoras sobre las primeras poblaciones estelares del universo. Eso es porque esas primeras estrellas eran masivas y explotaron como supernovas.
Los primeros se formaron cuando el universo era bastante joven, tal vez tan pronto como cien millones de años después del Big Bang. Ciertamente, las primeras galaxias se remontan a unos 400 millones de años después del Big Bang. Las primeras estrellas eran bichos raros masivos hechos de hidrógeno y helio. Vivieron vidas cortas y rápidas y explotaron como supernovas. Esas explosiones podrían haber proporcionado los primeros ejemplos de polvo en el universo.
Con más episodios de formación estelar en las primeras galaxias, se acumuló polvo, y eso es lo que detectó JWST. Las moléculas a base de carbono y los nanodiamantes requieren condiciones energéticas calientes específicas, que podrían haber sido proporcionadas por las primeras estrellas.
Moléculas a base de carbono y polvo
El polvo existe en todo el cosmos. Dado que es un producto de la evolución estelar, no sorprende encontrarlo en el universo primitivo. Proporciona información sobre los procesos estelares, pero también oculta muchas cosas. Por ejemplo, el polvo dificulta nuestra visión del núcleo de la Vía Láctea, así como de los objetos del universo infantil. Afortunadamente, existen métodos para “ver a través de él”, que es lo que hace JWST.
El análisis químico del polvo proporciona detalles minuciosos sobre su composición. Ciertas moléculas de polvo interactúan con tipos específicos de luz. Los astrónomos usan esa propiedad para averiguar de qué está hecho el polvo. Eso es lo que hizo el equipo dirigido por Witstok con sus observaciones JWST. “Los granos de polvo ricos en carbono pueden ser particularmente eficientes en la absorción de luz ultravioleta con una longitud de onda de alrededor de 217,5 nanómetros, que por primera vez hemos observado directamente en el espectro de galaxias muy tempranas”, dijo, hablando de su observación.
La función de absorción de 217,50 nanómetros es una gran herramienta para observar el polvo y ocupa un lugar destacado en las observaciones de moléculas de PAH en todo el universo. Identifica tanto moléculas de PAH como granos de grafito de tamaño nanométrico. Sería genial si los PAH existieran al principio de la historia cósmica. Sin embargo, su proceso de formación está más asociado con las estrellas recién nacidas y la formación de exoplanetas. No se han observado mucho antes de unos dos mil millones de años después del Big Bang. Curiosamente, los PAH también son uno de los componentes químicos básicos de la vida.
Si no es HAP, ¿qué hay ahí fuera?
Curiosamente, las características que vio JWST alcanzaron un máximo de 226,3 nanómetros. Eso no es muy diferente de la medida de 217,5 nm y podría ser un error de medida. Sin embargo, también es muy posible que esta diminuta diferencia de longitud de onda indique que la composición del polvo cósmico primitivo es ligeramente diferente del polvo que vemos en épocas posteriores. Y eso es un poco emocionante, según Witstok. “Este ligero cambio en la longitud de onda de donde la absorción es más fuerte sugiere que podemos estar viendo una mezcla diferente de granos, por ejemplo, granos de grafito o de diamante”, dijo. “Esto también podría ser producido potencialmente en escalas de tiempo cortas por estrellas Wolf-Rayet o eyecciones de supernovas”.
Todo esto juega en contra de un estudio continuo de las primeras galaxias. Antes de JWST, los astrónomos tenían que obtener imágenes de múltiples galaxias en el universo primitivo. Las observaciones repetidas dieron suficiente información sobre esas primeras estrellas y cómo la absorción de polvo afecta su luz. Sin embargo, eso restringió las observaciones a las galaxias que habían estado formando estrellas y polvo durante mucho tiempo. No hubo muchas posibilidades de observar galaxias y estrellas más jóvenes para precisar su producción de polvo. JWST permitió observaciones de galaxias enanas individuales que existieron en los primeros mil millones de años del tiempo cósmico. Eso les da una ventana de tiempo para estudiar los orígenes del polvo cósmico cuando el universo estaba realmente en su infancia.
Por supuesto, hay más trabajo por delante, según Irene Shivaei, miembro del equipo. “Planeamos seguir trabajando con los teóricos que modelan la producción y el crecimiento de polvo en las galaxias”, dijo Shivaei. “Esto arrojará luz sobre el origen del polvo y los elementos pesados en el universo primitivo”.
Con información de Phys.org
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