Cómo los datos del telescopio espacial James Webb ya han revelado sorpresas

La primera imagen contiene el pasado de un cúmulo de galaxias y el nacimiento estelar reciente en galaxias más remotas.

A los astrónomos les tomó solo unos días obtener información de la primera imagen pública del JWST, que muestra un cúmulo de galaxias masivo llamado SMACS 0723 y muchas más galaxias distantes detrás de él. Crédito: NASA, ESA, CSA, STSCI.

Massimo Pascale no planeaba estudiar el cúmulo de galaxias SMACS 0723. Pero tan pronto como vio el cúmulo brillando en la primera imagen del Telescopio Espacial James Webb, o JWST, él y sus colegas no pudieron evitarlo.

“Pensamos, tenemos que hacer algo”, dice Pascale, astrónomo de la Universidad de California, Berkeley. “No podemos dejar de analizar estos datos. Fue tan emocionante.»

El equipo de Pascale es uno de varios grupos de científicos que vieron las primeras imágenes del JWST e inmediatamente se arremangaron. En los primeros días después de que se hicieran públicas las imágenes y los datos utilizados para crearlas, los científicos estimaron la cantidad de masa que contiene el cúmulo, descubrieron un incidente violento en el pasado reciente del cúmulo y estimaron las edades de las estrellas en galaxias mucho más allá del cúmulo en sí.

“Nos hemos estado preparando para esto durante mucho tiempo. Yo mismo me he estado preparando durante años y no soy muy mayor”, dice Pascale, quien está en su cuarto año de posgrado. El JWST «realmente definirá una nueva generación de astrónomos y una nueva generación de ciencia en su conjunto».

Colisión de Cúmulos

Cuando se publicó la imagen de SMACS 0723 en una sesión informativa de la Casa Blanca el 11 de Julio, la mayor parte de la atención se centró en galaxias extremadamente distantes en el fondo ( SN: 11/7/22 ). Pero justo en el medio de la imagen está SMACS 0723, un cúmulo de galaxias mucho más cercano a unos 4.600 millones de años luz de la Tierra. Su masa desvía la luz incluso desde más lejos, haciendo que los objetos más distantes parezcan ampliados, como si su luz hubiera viajado a través de la lente de otro telescopio de tamaño cósmico.

La luz de la galaxia más distante en esta imagen comenzó su viaje a JWST hace unos 13.300 millones de años, «casi en los albores del universo», dice el Astrofísico Guillaume Mahler de la Universidad de Durham en Inglaterra, quien ya está usando la imagen y su Zoom del fondo.

Pero la imagen también puede completar la historia del propio cúmulo de galaxias intermedio. “La gente a veces se olvida de eso: el cúmulo de galaxias también es muy importante”, dice Pascale.

Los equipos de Pascale y Mahler comenzaron cada uno haciendo un inventario de las galaxias distantes que aparecen estiradas y distorsionadas en la imagen. La luz de algunas de esas galaxias se distorsiona de tal manera que aparecen múltiples imágenes de la misma galaxia en diferentes lugares. El mapeo de esas galaxias con imágenes múltiples es una prueba sensible de la forma en que la masa se distribuye alrededor del cúmulo. Eso, a su vez, puede revelar dónde el cúmulo contiene materia oscura, la sustancia invisible y misteriosa que constituye la mayor parte de la masa del universo ( SN: 9/10/20 ).

Ambos equipos encontraron que SMACS 0723 es más alargado de lo que parecía en observaciones anteriores. También encontraron un brillo tenue, llamado luz intracúmulo, dentro del cúmulo de estrellas que no pertenecen a ninguna galaxia en particular. Juntas, esas características sugieren que SMACS 0723 todavía se está recuperando de un choque relativamente reciente con otro cúmulo de galaxias, informan los equipos por separado en un par de documentos enviados a arXiv.org el 14 de Julio.

Un cúmulo de galaxias que ha evolucionado en solitario durante eones debería tener una distribución más redonda de materia y luz dentro del cúmulo, en lugar de la forma oblonga de SMACS 0723. Las estrellas que emiten la luz del interior del cúmulo probablemente fueron arrancadas de sus galaxias de origen por las fuerzas gravitatorias durante la colisión.

“Dos grupos separados se han fusionado y nos parece que aún no está totalmente resuelto”, dice Pascale. “Lo que podríamos estar viendo es una fusión en curso”.

Tres ejemplos de galaxias con imágenes múltiples, marcadas con flechas blancas, rojas y amarillas, surgieron de esta pequeña región de la primera imagen del JWST. La gravedad de un cúmulo de galaxias en primer plano distorsionó la luz de estas galaxias, haciéndolas aparecer en al menos dos lugares a la vez.
Crédito: Reproducido de M. Pascale et al./ARXIV.ORG 2022.

Galaxias lejanas

Mapear la masa en el cúmulo también es esencial para descifrar las propiedades de las galaxias más distantes en el fondo de la imagen, dice Mahler. “Necesitas entender el cúmulo y su poder de magnificación para entender lo que hay detrás”.

Algunos científicos ya están investigando en detalle esas galaxias distantes. Los primeros datos del JWST incluyen no solo imágenes bonitas, sino también espectros, medidas de la cantidad de luz que emite un objeto en varias longitudes de onda. Los espectros permiten a los científicos determinar cuánto se ha estirado (o desplazado hacia el rojo) la luz de un objeto distante por la expansión del universo, que es un indicador de su distancia. Estos datos también pueden ayudar a revelar la composición de una galaxia y las edades de sus estrellas.

“Lo principal que limita el estudio de la formación de estrellas en las galaxias es la calidad de los datos”, dice el Astrofísico Adam Carnall de la Universidad de Edimburgo. Pero con los datos enormemente mejorados de JWST, dice, él y su equipo pudieron medir las edades de las estrellas en esas galaxias remotas.

Carnall y sus colegas centraron su atención en los espectros de las galaxias distantes solo unos días después de que se publicara la imagen SMACS. Midieron los desplazamientos hacia el rojo de 10 galaxias, cinco de las cuales eran particularmente distantes, informa el equipo en un artículo enviado a arXiv.org el 18 de Julio, millones de años después del Big Bang hace 13.800 millones de años.

Los otros cuatro brillaron hasta 1.100 millones de años después del Big Bang.

Las 10 galaxias eran relativamente jóvenes cuando emitieron la luz capturada por el JWST, dice Carnall. Todas habían activado su formación estelar solo unos pocos millones de años antes. Eso no es especialmente sorprendente, pero es interesante.

“La capacidad de observar estas galaxias pequeñas y tenues… te da una idea de cómo deben verse todas las galaxias cuando comienzan a formar estrellas”, dice Carnall.

Los científicos esperan usar el JWST para encontrar los primeros casos de formación de estrellas de la historia. Otros resultados iniciales sugieren que ya se están acercando.

Algunas galaxias en una imagen del JWST de otro cúmulo pueden ser de un tiempo incluso anterior, tan pronto como 300 millones de años después del Big Bang, informan dos equipos de investigación en un par de artículos enviados a arXiv.org el 19 de Julio. Una de esas galaxias parece haber construido ya un disco espiral de unos mil millones de veces la masa del Sol, que es sorprendentemente maduro para una galaxia tan temprana.

Y un recuento de galaxias visto en la imagen SMACS 0723 sugiere que las galaxias con discos maduros, en lugar de manchas desorganizadas o compuestas principalmente de materia oscura, pueden haber sido más comunes en el universo primitivo de lo que se pensaba anteriormente, informa otro equipo en un Documento de arXiv.org presentado el 19 de Julio. Eso significa que esos primeros discos podrían no ser atípicos.

«Definitivamente, estas galaxias son un gran problema, pero queda por ver qué tan emocionantes se verán en el contexto de unos meses de progreso con JWST», dice Carnall. Lo mejor está por venir.

Referencias

G. Mahler et alPrecision modeling of Webb’s first cluster lens SMACSJ 0723.3-7327. arXiv:2207.07101. Submitted July 14, 2022.

M. Pascale et alUnscrambling the lensed galaxies in JWST images behind SMACS0723. arXiv:2207.07102. Submitted July 14, 2022.

A.C. Carnall et alA first look at the SMACS0723 JWST ERO: spectroscopic redshifts, stellar masses and star formation histories. arXiv:2207.08778. Submitted July 18, 2022.

M. Castellano et alEarly results from GLASS-JWST. III: Galaxy candidates at z~9-15. arXiv:2207.09436. Submitted July 19, 2022.

R.P. Naidu et alTwo remarkably luminous galaxy candidates at z~11-13 revealed by JWST. arXiv:2207.09434. Submitted July 19, 2022.

L. Ferreira et alPanic! At the disks: First rest-frame optical observations of galaxy structure at z>3 with JWST in the SMACS 0723 field. arXiv:2207.09428. Submitted July 19, 2022.

Fuente: ScienceNews.

Artículo original:How James Webb Space Telescope data have already revealed surprises‘. Lisa Grossman. Julio 21, 2022.

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