Agencias/Ciudad de México.- Las galaxias segunda y cuarta más distantes jamás observadas han sido descubiertas en una región del espacio conocida como Cúmulo de Pandora, o Abell 2744, con datos del telescopio espacial James Webb.

A partir de una imagen de campo profundo de la zona, un equipo internacional dirigido por investigadores de Penn State, en Estados Unidos, con participación de Israel, Francia, Países Bajos, Japón y México, ha confirmado la distancia de estas antiguas galaxias e infirió sus propiedades utilizando nuevos datos espectroscópicos -información sobre la luz emitida a través del espectro electromagnético- del JWST. El artículo se publica en Astrophysical Journal Letters‘.

A casi 33,000 millones de años luz de distancia, estas galaxias increíblemente distantes permiten comprender cómo pudieron formarse las primeras galaxias.

A diferencia de otras galaxias confirmadas a esta distancia, que aparecen en las imágenes como puntos rojos, las nuevas galaxias son más grandes y parecen un cacahuete y una bola esponjosa, según los investigadores.

“Se sabe muy poco sobre el Universo primitivo, y la única forma de conocer esa época y poner a prueba nuestras teorías sobre la formación y el crecimiento de las primeras galaxias es con estas galaxias tan distantes”, explica Bingjie Wang, primer autor del estudio, becario postdoctoral de la Facultad de Ciencias Eberly de la Universidad Estatal de Pensilvania y miembro del equipo UNCOVER (Ultradeep NIRSpec and NIRCam ObserVations before the Epoch of Reionization) del James Webb que ha llevado a cabo la investigación.

“Antes de nuestro análisis, sólo conocíamos tres galaxias confirmadas en torno a esta distancia extrema –prosigue–. Estudiar estas nuevas galaxias y sus propiedades ha revelado la diversidad de galaxias en el universo primitivo y lo mucho que queda por aprender de ellas”.

Dado que la luz de estas galaxias tuvo que viajar durante tanto tiempo para llegar a la Tierra, proporciona una ventana al pasado. El equipo de investigadores estima que la luz detectada por el JWST fue emitida por las dos galaxias cuando el universo tenía unos 330 millones de años y viajó unos 13,400 millones de años luz hasta llegar al JWST.

Sin embargo, según los investigadores, las galaxias se encuentran actualmente más cerca de la Tierra, a unos 33,000 millones de años luz, debido a la expansión del universo durante este tiempo.

“La luz de estas galaxias es antigua, unas tres veces más antigua que la Tierra –explica Joel Leja, profesor adjunto de astronomía y astrofísica en Penn State y miembro de UNCOVER–. Estas galaxias primitivas son como faros que emiten luz a través del finísimo gas de hidrógeno que formaba el universo primitivo. Sólo a través de su luz podemos empezar a comprender la física exótica que gobernaba la galaxia cerca del amanecer cósmico”.

Las dos galaxias son considerablemente mayores que las tres galaxias localizadas anteriormente a estas distancias extremas. Una de ellas es al menos seis veces mayor, con unos 2,000 años luz de diámetro. A modo de comparación, la Vía Láctea tiene aproximadamente 100,000 años luz de diámetro, pero, según Wang, se cree que el universo primitivo estaba muy comprimido, por lo que es sorprendente que la galaxia sea tan grande.

“Las galaxias descubiertas anteriormente a estas distancias son fuentes puntuales: aparecen como un punto en nuestras imágenes –explica Wang–, pero una de las nuestras aparece alargada, casi como un cacahuete, y la otra parece una bola esponjosa”.

Según indica, “no está claro si la diferencia de tamaño se debe a cómo se formaron las estrellas o a lo que les ocurrió después de formarse, pero la diversidad en las propiedades de las galaxias es realmente interesante. Se espera que estas primeras galaxias se hayan formado a partir de materiales similares, pero ya están mostrando signos de ser muy diferentes entre sí“, añade.

Las dos galaxias se encontraban entre las 60,000 fuentes de luz del Cúmulo de Pandora detectadas en una de las primeras imágenes de campo profundo de JWST tomadas durante 2022, su primer año de operaciones científicas. Esta región del espacio fue seleccionada en parte porque se encuentra detrás de varios cúmulos de galaxias que crean un efecto de aumento natural llamado lente gravitacional.

La atracción gravitatoria de la masa combinada de los cúmulos deforma el espacio a su alrededor, enfocando y magnificando cualquier luz que pase cerca y proporcionando una vista ampliada detrás de los cúmulos.

En cuestión de meses, el equipo de UNCOVER redujo las 60,000 fuentes de luz a 700 candidatas para un estudio posterior, ocho de las cuales pensaban que podrían estar entre las primeras galaxias. A continuación, JWST apuntó de nuevo al Cúmulo de Pandora, registrando los espectros de las candidatas, una especie de huella dactilar que detalla la cantidad de luz emitida en cada longitud de onda.

“Varios equipos diferentes están utilizando diferentes enfoques para buscar estas galaxias antiguas, y cada uno tiene sus puntos fuertes y débiles –subraya Leja en un comunicado–. El hecho de que estemos apuntando a esta lente de aumento gigante en el espacio nos da una ventana increíblemente profunda, pero es una ventana muy pequeña, así que estábamos tirando los dados”.

Según explica, “varios de los candidatos no fueron concluyentes, y al menos uno fue un caso de identidad equivocada: era algo mucho más cercano que imitaba a una galaxia lejana. Pero tuvimos suerte, y dos resultaron ser estas galaxias antiguas. Es increíble”, apostilla.

Los investigadores también utilizaron modelos detallados para inferir las propiedades de estas galaxias primitivas cuando emitían la luz detectada por el JWST. Como esperaban, las dos galaxias eran jóvenes, tenían pocos metales en su composición y estaban creciendo rápidamente y formando estrellas activamente.

“Los primeros elementos se forjaron en los núcleos de las primeras estrellas mediante el proceso de fusión –explica Leja–. Tiene sentido que estas primeras galaxias no tengan elementos pesados, como metales, porque fueron algunas de las primeras fábricas en construir esos elementos pesados. Y, por supuesto, tendrían que ser jóvenes y con formación estelar para ser las primeras galaxias, pero confirmar estas propiedades es una importante prueba básica de nuestros modelos y ayuda a confirmar todo el paradigma de la teoría del Big Bang”, añade.

Los investigadores señalan que, junto a la lente gravitatoria, los potentes instrumentos infrarrojos del JWST deberían ser capaces de detectar galaxias a una distancia aún mayor, si es que existen.

“Teníamos una ventana muy pequeña en esta región, y no observamos nada más allá de estas dos galaxias, a pesar de que JWST tiene la capacidad –apunta Leja–. Eso podría significar que las galaxias simplemente no se formaron antes de esa época y que no vamos a encontrar nada más allá. O podría significar que no tuvimos suficiente suerte con nuestra pequeña ventana”.

Este trabajo fue el resultado de una exitosa propuesta presentada a la NASA en la que se sugería cómo utilizar el JWST durante su primer año de operaciones científicas. En los tres primeros ciclos de presentación de propuestas, la NASA recibió entre cuatro y diez veces más propuestas de las que permitía el tiempo de observación disponible en el telescopio y sólo tuvo que seleccionar una fracción de ellas.

“Nuestro equipo estaba muy emocionado y un poco sorprendido cuando nuestra propuesta fue aceptada –asegura Leja–. Implicaba coordinación, una rápida acción humana y que el telescopio apuntara dos veces a lo mismo, lo cual es mucho pedir a un telescopio en su primer año. Había mucha presión porque sólo disponíamos de unos pocos meses para determinar los objetos para el seguimiento. Pero JWST se construyó para encontrar estas primeras galaxias, y es muy emocionante estar haciéndolo ahora”.

Para concluir, las galaxias más tempranas son cruciales para comprender las teorías de la formación de galaxias y estructuras, aunque hasta ahora sólo se han confirmado tres galaxias en la literatura. Por lo tanto, los descubrimientos presentados aquí proporcionan información valiosa sobre un espacio de corrimiento al rojo al que ahora puede acceder JWST. Es de esperar que futuras búsquedas e investigaciones sistemáticas en esta frontera de observación completen una de las últimas piezas que faltan en la astrofísica moderna: la naturaleza de las primeras fuentes luminosas y su impacto a gran escala.

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