20/10/2022
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Los astrónomos que investigan el Universo primitivo han hecho un descubrimiento desconcertante utilizando la NASA/ESA/CSA Telescopio espacial James Webb. Las capacidades espectroscópicas de Webb, combinadas con su sensibilidad infrarroja, han descubierto un cúmulo de galaxias masivas en proceso de formación alrededor de un cuásar extremadamente rojo. El resultado ampliará nuestra comprensión de cómo las galaxias en el Universo primitivo se fusionaron en la red cósmica que vemos hoy.
El cuásar en cuestión, SDSS J165202.64+172852.3, es un «extremadamente rojo» quásar que existe en el Universo muy primitivo, hace 11.500 millones de años. Los cuásares son un tipo raro e increíblemente luminoso de núcleo galáctico activo (AGN). Este cuásar es uno de los núcleos galácticos más poderosos que se hayan visto a una distancia tan extrema. Los astrónomos habían especulado que la emisión extrema del quásar podría ocasionar un «viento galáctico», empujando el gas libre fuera de su galaxia anfitriona y posiblemente influyendo en gran medida en la futura formación de estrellas allí.
Un AGN es una región compacta en el centro de un galaxia, que emite suficiente radiación electromagnética para eclipsar a todas las estrellas de la galaxia. Los AGN, incluidos los cuásares, funcionan con gas que cae en un hueco negro supermasivo en el centro de su galaxia. Por lo general, emiten grandes cantidades de luz en todas las longitudes de onda, pero este núcleo galáctico es miembro de una clase inusualmente roja. Además de su color rojo intrínseco, la luz de la galaxia se ha desplazado aún más hacia el rojo por su gran distancia. Eso hizo que Webb, que tiene una sensibilidad sin igual en longitudes de onda infrarrojas, se adaptara perfectamente para examinar la galaxia en detalle.
Para investigar el movimiento del gas, el polvo y el material estelar en la galaxia, el equipo usó el telescopio Espectrógrafo de infrarrojo cercano (NIRSpec). Este poderoso instrumento puede recopilar espectros simultáneamente en todo el campo de visión del telescopio, en lugar de solo de un punto a la vez, una técnica conocida como espectroscopia de unidad de campo integral (IFU). Esto les permitió examinar simultáneamente el cuásar, su galaxia y los alrededores más amplios.
Espectroscopia fue fundamental para comprender el movimiento de los diversos flujos de salida y los vientos que rodean el cuásar. Los movimientos de los gases afectan la luz que emiten y reflejan, causando que se desplace hacia el rojo o hacia el azul en proporción a su velocidad y dirección. [1]. El equipo pudo ver y caracterizar este movimiento mediante el seguimiento del oxígeno ionizado en los espectros NIRSpec. Las observaciones de IFU fueron especialmente útiles, ya que el equipo aprovechó al máximo la capacidad de recopilar espectros de un área amplia alrededor del propio cuásar.
Estudios previos de, entre otros, el Telescopio espacial Hubble de NASA/ESA y el instrumento espectrómetro de campo integral de infrarrojo cercano del telescopio Gemini-North llamó la atención sobre los poderosos flujos de salida del quásar, y los astrónomos habían especulado que su galaxia anfitriona podría estar fusionándose con algún compañero invisible. Pero el equipo no esperaba que los datos NIRSpec de Webb indicaran claramente que no solo estaban mirando una galaxia, sino al menos tres más girando a su alrededor. Gracias a los espectros de IFU en un área amplia, se pudieron mapear los movimientos de todo este material circundante, lo que llevó a la conclusión de que SDSS J165202.64+172852.3 era, de hecho, parte de un denso nudo de formación de galaxias.
«Hay pocos protocúmulos de galaxias conocidos en este momento temprano. Es difícil encontrarlos, y muy pocos han tenido tiempo de formarse desde el Big Bang», dijo la astrónoma Dominika Wylezalek de la Universidad de Heidelberg en Alemania, quien dirigió el estudio sobre este cuásar. «Esto eventualmente puede ayudarnos a comprender cómo evolucionan las galaxias en entornos densos… Es un resultado emocionante».
Utilizando las observaciones IFU de NIRSpec, el equipo pudo confirmar tres compañeros galácticos de este cuásar y mostrar cómo están conectados. Los datos de archivo del Hubble insinúan que puede haber aún más. Las imágenes de la Wide Field Camera 3 del Hubble habían mostrado material extenso que rodeaba al quásar y su galaxia, lo que provocó su selección para este estudio sobre su flujo de salida y los efectos en su galaxia anfitriona. Ahora, el equipo sospecha que podrían haber estado mirando el núcleo de un cúmulo completo de galaxias, solo que ahora lo revelan las imágenes nítidas de Webb.
«Nuestra primera mirada a los datos reveló rápidamente signos claros de interacciones importantes entre las galaxias vecinas», compartió el miembro del equipo Andrey Vayner de la Universidad Johns Hopkins en Baltimore, EE. UU. «La sensibilidad del instrumento NIRSpec fue evidente de inmediato, y estaba claro para me dice que estamos en una nueva era de la espectroscopia infrarroja».
Las tres galaxias confirmadas están orbitando entre sí a velocidades increíblemente altas, una indicación de que hay una gran cantidad de masa presente. Cuando se combina con lo cerca que están de la región alrededor de este quásar, el equipo cree que esto marca una de las áreas más densas conocidas de formación de galaxias en el Universo primitivo. “Incluso un nudo denso de materia oscura no es suficiente para explicarlo. dice Wylezalek. “Creemos que podríamos estar viendo una región donde dos halos masivos de materia oscura se están fusionando”.
El estudio realizado por el equipo de Wylezalek es parte de las investigaciones de Webb en el universo primitivo. Con su capacidad sin precedentes para mirar hacia atrás en el tiempo, el telescopio ya se está utilizando para investigar cómo se formaron y evolucionaron las primeras galaxias, y cómo se formaron los agujeros negros e influyeron en la estructura del Universo. El equipo está planeando observaciones de seguimiento en este inesperado protocúmulo de galaxias, y espera usarlo para comprender cómo se forman los densos y caóticos cúmulos de galaxias como este, y cómo se ve afectado por el hueco negro supermasivo activo en su corazón.
En primer lugar, su objetivo es volver a la cuestión de los vientos galácticos y la retroalimentación de los cuásares. Durante mucho tiempo se ha sospechado que los cuásares son los culpables de la reducción de la formación de estrellas en sus galaxias anfitrionas por este mecanismo de retroalimentación, pero ha sido complicado encontrar pruebas firmes que vinculen los dos. Las presentes observaciones son solo las primeras de un conjunto que estudiará tres cuásares con Webb, cada uno en diferentes momentos del pasado del Universo.
“Desenredar la luz increíblemente brillante de un quásar distante del anfitrión mucho más tenue y sus compañeros es casi imposible desde el suelo. Descubrir los detalles de los vientos galácticos que pueden producir retroalimentación es aún más desafiante”, compartió el miembro del equipo David Rupke de Rhodes College en Memphis, EE. UU. “Ahora, con Webb, ya podemos ver que eso está cambiando”.
Esta investigación se completó como parte de los Programas de Ciencia de Liberación Temprana (ERS) de Webb. Estas observaciones se llevan a cabo durante los primeros 5 meses de operaciones científicas de Webb. Las observaciones de Webb que arrojaron este resultado se tomaron del programa ERS #1335.
notas
[1] Cuando las ondas de luz son emitidas por una fuente en movimiento, pueden aplastarse o estirarse desde nuestra perspectiva aquí en la Tierra, dependiendo de la dirección en que se mueva la fuente. Si una fuente de luz se aleja de nosotros, el estiramiento cambia su luz a longitudes de onda más rojas, y si la fuente se mueve hacia nosotros, su luz se vuelve más azul. Esto se conoce como el efecto Doppler, análogo a cómo se desplazan las ondas sonoras cuando las emite un vehículo en movimiento, como una ambulancia. Las ondas de luz también se pueden desplazar hacia el rojo porque el espacio entre ellas y nosotros se está expandiendo, el llamado desplazamiento hacia el rojo cosmológico.
Más información
Estas resultados será publicado en el Las cartas del diario astrofísico.
Webb es el telescopio más grande y poderoso jamás lanzado al espacio. En virtud de un acuerdo de colaboración internacional, la ESA proporcionó el servicio de lanzamiento del telescopio, utilizando el vehículo de lanzamiento Ariane 5. Trabajando con socios, la ESA fue responsable del desarrollo y calificación de las adaptaciones de Ariane 5 para la misión Webb y de la adquisición del servicio de lanzamiento por parte de Arianespace. La ESA también proporcionó el espectrógrafo caballo de batalla NIRSpec y el 50% del instrumento de infrarrojo medio MIRI, que fue diseñado y construido por un consorcio de Institutos Europeos financiados a nivel nacional (El Consorcio Europeo MIRI) en asociación con JPL y la Universidad de Arizona.
Webb es una asociación internacional entre la NASA, la ESA y la Agencia Espacial Canadiense (CSA).
Contacto:
Relaciones con los medios de la ESA: media@esa.int
