El JWST echa un vistazo a las primeras galaxias de la historia

Galaxia de disco en la imagen ultra profunda del JWST. Los nuevos datos podrían obligarnos a repensar cómo se forman y evolucionan las galaxias en el Universo primitivo, ¡pero no hay necesidad de entrar en pánico!
Crédito: NASA/ESA/STScI

Nota: Astrobites es una revista diaria de literatura astrofísica escrita por estudiantes de posgrado en Astronomía desde 2010. El objetivo es presentar un artículo interesante por día en un formato breve que sea accesible para estudiantes de pregrado y público interesado. La publicación de hoy presenta en formato sencillo de digerir el siguiente trabajo.

El paper: ¡Pánico! En los discos: Primeras observaciones ópticas en marco de reposo de la estructura de la galaxia en z>3 con JWST en el campo SMACS 0723.

Autores: Leonardo Ferreira, Nathan Adams, Christopher J. Conselice, Elizaveta Sazonova, Duncan Austin, Joseph Caruana, Fabricio Ferrari, Aprajita Verma, James Trussler, Tom Broadhurst, Jose Diego, Brenda L. Frye, Massimo Pascale, Stephen M. Wilkins, Rogier A. Windhorst, Adi Zitrin

Institución del primer autor: Universidad de Nottingham, Nottingham, Reino Unido

Estado: Aceptado en’The Astrophysical Journal Letters’, disponible en arXiv

Desde la primera publicación de datos del Telescopio Espacial James Webb (JWST) en Julio, ha quedado claro que este telescopio va a transformar por completo nuestra visión del Universo distante. Las galaxias que parecían manchas sin características cuando se veían a través del Telescopio Espacial Hubble ahora se pueden resolver con un detalle increíble (ver Figura 1), a pesar de que el Hubble ha sido uno de los telescopios líderes en el mundo durante los últimos 30 años.

Figura 1: Cuatro galaxias del campo SMACS 0723 (el foco del artículo de hoy), vistas por el Telescopio Espacial Hubble (izquierda) y el Telescopio Espacial James Webb (derecha). Cada uno muestra características que no se detectaron con Hubble, pero que se pueden ver fácilmente con el JWST. 
Crédito:
NASA/ESA/STScI.

Poder medir las formas de las galaxias (conocidas como su morfología ) es vital si queremos comprender cómo se formaron las galaxias, incluida la nuestra. Las galaxias suelen tener dos formas: galaxias delgadas y delicadas en forma de disco y galaxias elípticas en forma de esferoide, pero todavía no está muy claro cómo y cuándo surgieron estas diferentes estructuras galácticas. El artículo de hoy utiliza las primeras observaciones del JWST de un gran cúmulo de galaxias, llamado SMACS 0723, para medir las formas de galaxias muy distantes. Con estos datos nuevos y emocionantes, los autores esperan ampliar nuestro conocimiento de la evolución de las galaxias hasta los albores de nuestro Universo.

Acercándonos a las primeras galaxias

Esta foto de SMACS 0723 es una de las primeras imágenes publicadas por JWST. El cúmulo se encuentra a unos cuatro mil millones de años luz de distancia con un corrimiento al rojo de 0,4, pero el artículo de hoy en realidad observa galaxias aún más distantes, en el fondo de esta imagen; muchas de ellas han sido ampliadas por la lente gravitacional del cúmulo. Específicamente, observa 280 galaxias de fondo con corrimientos al rojo entre 1,5 y 8, lo que significa que las estamos viendo entre 1 y 4 mil millones de años después del comienzo del Universo.

Los autores primero miden las formas de las galaxias utilizando propiedades cuantitativas de las galaxias, como su concentración y asimetría. Sin embargo, sus hallazgos realmente emocionantes provienen de clasificar estas galaxias a simple vista, dividiéndolas en tres categorías: discos, esferoides y «peculiares».

Las galaxias de esta tercera clase tienen una forma irregular, que puede ser causada por procesos como los estallidos estelares o las interacciones de las mareas. Alternativamente, las colisiones entre galaxias (conocidas como «fusiones de galaxias«) que están actualmente en progreso pueden conducir a estas galaxias «peculiares». Se cree que estos eventos violentos juegan un papel importante en la evolución de las galaxias: en las primeras fusiones del Universo, grandes cantidades de masa se agruparon, lo que luego puede formar un disco galáctico. Más tarde, pueden destruir estas frágiles estructuras de disco, convirtiendo las galaxias de disco en elípticas sin rasgos distintivos.

Resulta que con desplazamientos al rojo altos (entre 3 y 6), aproximadamente la mitad de las galaxias tienen forma de disco (Figura 2). Esto es mucho más alto de lo que pensábamos anteriormente: ¡los datos del telescopio Hubble muestran que encontró una fracción de galaxias de disco de menos del 10% en desplazamientos al rojo similares! Curiosamente, según JWST, la fracción del disco también se mantiene más o menos constante en todo el rango de corrimientos al rojo.

Figura 2: Fracción de esferoides, discos y galaxias peculiares en diferentes corrimientos al rojo, medidas con JWST en el artículo de hoy y con el Hubble (HST) en trabajos anteriores. Las tendencias encontradas por el Hubble habían predicho que el número de discos disminuiría con desplazamientos al rojo mayores de tres, y que la mayoría de las galaxias serían peculiares. El JWST muestra que este no es el caso. 
Figura 4 en el paper de hoy.

¿Un Universo menos turbulento?

Nuestra idea actual de que las fusiones ensamblan galaxias en el Universo temprano significa que esperaríamos encontrar muchas galaxias peculiares y pocos discos con un alto desplazamiento al rojo, ya que estos discos aún están en proceso de formación. Sin embargo, la fracción de disco casi constante encontrada en este estudio indica que las galaxias de disco (como la Vía Láctea) han existido en un estado bastante estable durante más de 10 mil millones de años, lo que aparentemente contradice nuestras viejas ideas.

Entonces, ¿qué está pasando? Hay varias formas de interpretar estos resultados. Podría ser que casi todas las fusiones ocurran extremadamente temprano en el Universo, formando rápidamente galaxias de disco, y que estos discos sobrevivan hasta el día de hoy porque las fusiones recientes son mucho menos comunes de lo que sugieren nuestras teorías actuales. Alternativamente, podría ser que solo algunas clases de galaxias se construyen mediante fusiones, o incluso que las fusiones son mucho menos probables para destruir estructuras de disco de lo que pensábamos anteriormente.

Cualquiera que sea el caso, indica que es posible que necesitemos refinar las ideas teóricas actuales sobre cómo las galaxias se ensamblan y evolucionan a través de fusiones, que es una de las predicciones clave  de nuestro modelo ampliamente aceptado del Universo (la materia oscura fría Lambda, o modelo ΛCDM, ). Algunos artículos basados ​​en este trabajo han ido un paso más allá, afirmando que esta investigación refuta el ΛCDM, o incluso el Big Bang. Sin embargo, a pesar del homenaje al emo-pop de los años 2000 en el título de este artículo, no hay razón para entrar en pánico. Ajustar y reajustar las teorías para que se ajusten a los nuevos datos es una parte normal del proceso científico. De hecho, este artículo es emocionante: nos dice que todavía no sabemos realmente de dónde proviene la estructura galáctica, pero que la nueva ciencia realizada con este nuevo telescopio finalmente nos dará la oportunidad de comprender los orígenes y la vida de las galaxias.

Astrobite editado por Aldo Panfichi.

Fuente: Astrobites.

Artículo original:JWST takes a peek at the first ever galaxies‘. Roan Haggar. Sep 3, 2022.

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