Entre otros logros y enigmas notables, el telescopio espacial James Webb (JWST) ha descubierto un número mayor de galaxias brillantes en el universo distante de lo que se esperaba. Mientras los científicos siguen debatiendo el exceso, un grupo de investigación ha propuesto que los estallidos de rayos gamma se pueden utilizar como una sonda potente para examinar el excedente, lo que también podría observar la formación de estrellas y galaxias en el universo distante y temprano.
El JWST observó recientemente la galaxia más distante jamás observada, que se formó solo 300 millones de años después del Big Bang. Ahora está en el extremo más alejado del universo observable, donde los objetos se alejan casi a la velocidad de la luz.
Al viajar tan rápido en relación con la Tierra, la luz de estos objetos tiene un desplazamiento al rojo significativo cuando llega aquí. Sus longitudes de onda se estiran de modo que son significativamente más grandes que cuando se emitieron, lo que se denomina efecto Doppler (que nos resulta familiar por el cambio en las frecuencias de sonido cuando un vehículo se aleja de nuestros oídos).
La relación entre la longitud de onda observada y la longitud de onda emitida se denomina factor z, un parámetro ampliamente utilizado por astrónomos y astrofísicos.
La galaxia observada más lejana tenía un factor z de 14,32. El JWST también ha encontrado más galaxias brillantes con un z de 10 o mayor de lo que se esperaba a partir de extrapolaciones de sus números con un z menor. (Aquí, «brillante» significa luz ultravioleta; z=10 corresponde a una velocidad de recesión del 98,4 por ciento de la velocidad de la luz).
La tasa de formación de estrellas brillantes en exceso según lo revelado por las observaciones del Telescopio Espacial James Webb (JWST). El eje vertical muestra la tasa por unidad de volumen, con el parámetro de corrimiento al rojo z en el eje horizontal, una medida de distancia. La curva negra es de la era anterior al JWST. Los triángulos rojos muestran el límite inferior de la tasa de formación de estrellas obtenida a través del JWST. La línea continua roja denota la tasa de formación de estrellas en exceso determinada por el JWST. Crédito: Tatsuya Matsumoto
Se han propuesto varias explicaciones para este exceso, como la formación activa de estrellas y una función de masa inicial de masa superior que produce más radiación ultravioleta, pero la causa aún no está clara. Es una pregunta importante, ya que el espectro de luminosidad ultravioleta contiene información clave sobre la historia de ensamblaje de estas galaxias, su actividad de formación de estrellas y la población estelar del universo distante.
Junto con sus colegas, Tatsuya Matsumoto de la Universidad de Kioto en Japón exploró el potencial de los estallidos de rayos gamma de alto z para explicar el origen del exceso de formación de estrellas brillantes y galaxias. Su trabajo, publicado en el servidor de preimpresión arXiv, ha sido enviado a Astrophysical Journal Letters.
Utilizaron datos tomados por la sonda Einstein, un telescopio de rayos X basado en el espacio lanzado principalmente por China en enero de 2024. La sonda Einstein tiene el telescopio de rayos X de gran angular, que es ventajoso para observar estallidos de rayos gamma de alto z; recientemente observó un estallido de rayos gamma en un valor z de 4,859.
Matsumoto dijo que si una de las posibles razones del exceso del JWST «es que las estrellas se forman de manera más eficiente en estas galaxias, los estallidos de rayos gamma deberían ocurrir con mayor frecuencia y podrían ser detectados por la sonda Einstein». En particular, descubrieron que «la tasa de formación de estallidos de rayos gamma puede tener diferentes comportamientos en z=10 o superior, y la detección de la tasa por la sonda Einstein o futuras misiones de estallidos de rayos gamma aclarará la causa del exceso del JWST».
Los estallidos de rayos gamma son eventos explosivos en el universo; de hecho, los eventos más brillantes y extremos observados en el universo. Con una duración de unos diez milisegundos a varias horas, se cree que su intensa radiación se libera cuando una estrella se convierte en supernova y luego implosiona. (Otras parecen ser creadas por la fusión de dos estrellas de neutrones). Son extremadamente raros -solo unos pocos por galaxia por millón de años- y la mayoría de los estallidos de rayos gamma que se observan están a miles de millones de años luz de distancia de nosotros.
Un estallido de rayos gamma típico (GRB) liberará tanta energía en solo unos segundos como el Sol en toda su vida de diez mil millones de años. Si un estallido de este tipo ocurriera en la Vía Láctea, y su chorro apuntara directamente a la Tierra, acabaría con la mayor parte de la vida en el planeta. Los GRB son de dos tipos: «cortos», con duraciones inferiores a unos 2 segundos, y «largos», con duraciones superiores a 2 segundos. Los GRB cortos constituyen alrededor del 30% de todos los GRB, y los GRB largos el 70%.
El número de GRB en el universo primitivo ha sido poco limitado debido a las limitaciones de los detectores disponibles anteriormente. Para superar esto, Matsumoto y su equipo desarrollaron una relación analítica compleja entre la variación en las tasas de formación de GRB a medida que z varía, es decir, a medida que el tiempo se remonta al universo primitivo. «Dado que los estallidos largos de rayos gamma se producen por el colapso de estrellas masivas», escribieron, «investigan las actividades de formación estelar en el alto z del universo, rastreando directamente la historia de formación estelar».
Es importante destacar que descubrieron que la distribución de GRB con corrimiento al rojo depende de la causa potencial del exceso del JWST. Si el excedente es causado por una elevación de la tasa inherente de formación estelar, la distribución del corrimiento al rojo mostrará un exceso en z de aproximadamente 10 o más. Si una transición de la función de masa inicial a una función de masa superior crea el exceso del JWST, la distribución del corrimiento al rojo también mostrará un exceso, pero en un grado diferente. Si otros efectos causan el exceso del JWST, como una contribución de los núcleos galácticos activos, la distribución se extrapolará suavemente más allá de un z de 10.
Más datos de GRB deberían aclarar la razón del exceso. «Además de la sonda Einstein», dijo Matsumoto, «futuras misiones como HiZ-GUNDAM detectarán estallidos de rayos gamma y profundizarán nuestra comprensión del universo primitivo».
Con información de arXiv
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