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James Webb vincula las galaxias de guisantes verdes modernas con las galaxias antiguas en el amanecer cósmico

James Webb vincula las galaxias de guisantes verdes modernas con las galaxias antiguas en el amanecer cósmico

Cuando el telescopio espacial James Webb despegó de la Tierra el día de Navidad de 2021, trajo consigo muchas expectativas. Uno de sus objetivos científicos es buscar la luz de las primeras galaxias del universo y estudiar cómo se formaron y evolucionaron las galaxias.

Un nuevo artículo muestra que JWST hace exactamente eso y ha encontrado un vínculo entre las primeras galaxias y las galaxias raras en nuestro patio trasero que los astrónomos llaman galaxias “guisante verde”.

Una de las grandes preguntas en cosmología es cómo se formaron primero las galaxias y cómo evolucionaron hasta convertirse en las estructuras espirales masivas que vemos hoy. La aparición de las primeras galaxias está asociada con La era de la reionización (EOR) y el final de las edades oscuras del universo. Antes de que se formaran las primeras estrellas y galaxias en el universo, solo había una neblina impenetrable de gas primordial. Una vez que las estrellas se formaron dentro de las galaxias, su luz ultravioleta reionizó el hidrógeno, permitiendo que la luz viajara por el universo.

La evidencia de EOR está enterrada en un pasado muy lejano. La luz de esas primeras galaxias se ha estirado en intensos desplazamientos hacia el rojo por la expansión del universo desde entonces, y el JWST está diseñado precisamente para detectar luz infrarroja. Tuvo éxito, y al principio de su misión científica, JWST ya había detectado las galaxias más antiguas jamás encontradas, que datan de solo 350 millones de años después del Big Bang.

Un nuevo artículo publicado en The Astrophysical Journal Letters muestra cómo algunas de estas galaxias muy tempranas son notablemente similares a algunas de las galaxias exóticas más jóvenes que viven en nuestro patio trasero cósmico. el papel “Encuentra guisantes al principio del universo con JWST. El autor principal es James Rhodes, astrofísico del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA.

“Con las huellas dactilares químicas detalladas de estas primeras galaxias, vemos que incluyen lo que pueden ser las galaxias más primitivas identificadas hasta ahora”, dijo Rhodes en un comunicado de prensa. “Al mismo tiempo, podemos relacionar estas galaxias desde el amanecer del universo con galaxias similares cercanas, que podemos estudiar con mucho más detalle”.

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Los guisantes verdes son un tipo de galaxia identificado por primera vez en ciencia ciudadana Proyecto Galaxy Zoo. En este proyecto, los científicos ciudadanos se propusieron identificar galaxias en grandes cantidades de datos de imágenes generados por sondeos como el Sloan Digital Sky Survey. Las galaxias de guisantes verdes llamaron la atención porque son puntos pequeños y redondos que son difíciles de resolver. También son verdes, en parte por cómo se filtran las imágenes y en parte por la composición mineral o química.

Pero los guisantes verdes también son verdes porque albergan una formación estelar muy activa. A diferencia de las estrellas, que emiten luz en todo el espectro electromagnético, la luz de los guisantes verdes proviene de nubes de gas brillante iluminadas por la luz de las estrellas. Entonces, en lugar de ver la luz de las estrellas sin filtrar, solo vemos la luz de las nubes de gas energizadas.

“El guisante puede ser pequeño, pero su actividad de formación de estrellas es inusualmente intensa para su tamaño, por lo que produce luz ultravioleta brillante”, dijo Kyunho Kim, investigador postdoctoral en la Universidad de Cincinnati y miembro del equipo de análisis.

Un nuevo análisis de galaxias distantes fotografiadas por el telescopio espacial James Webb de la NASA muestra que son muy pequeñas y comparten algunas similitudes notables con los “guisantes verdes”, una clase rara de galaxias pequeñas en nuestro patio trasero cósmico. Crédito de la imagen: NASA, ESA, CSA y STScI

El guisante verde tiene solo unos 5.000 años luz de diámetro. Compare eso con la mayoría de las galaxias modernas como la Vía Láctea, que tiene unos 85.000 años luz de diámetro. Las galaxias Green Pea son claramente raras y los astrónomos están muy interesados ​​en ellas.

Los astrónomos también están interesados ​​en las galaxias más antiguas, y James Webb se destacó en encontrarlas. Los autores de este estudio examinaron los datos de las observaciones del lanzamiento temprano (ERO) del JWST. Esos datos incluían la imagen infrarroja más nítida y profunda del universo jamás tomada. La imagen se centró en un cúmulo de galaxias llamado SMACS 0723, que actuó como una lente gravitatoria y mejoró el ya sorprendente alcance de JWST. Las lentes gravitacionales han magnificado la luz de las galaxias fuera del cúmulo.

Entre esas galaxias, los astrónomos han identificado tres que comparten características similares a las de los guisantes verdes. La luz de uno de ellos ha sido amplificada diez veces por el cúmulo de galaxias, una notable combinación de condiciones naturales que han hecho que el formidable poder de JWST lo sea aún más.

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Estas imágenes muestran una galaxia de guisante verde captada por el Sloan Digital Sky Survey a la izquierda y una imagen infrarroja de un guisante primitivo capturada por el telescopio espacial James Webb de la NASA.  A la izquierda está J122051+491255, un guisante verde a unos 170 millones de años luz de distancia o unos 4000 años luz de diámetro.  Este es un tamaño típico para un guisante verde.  A la derecha hay un guisante primitivo conocido como 04590, cuya luz tardó 13.100 millones de años en llegar hasta nosotros.  04590 es incluso más compacta que las otras dos galaxias JWST, en comparación con la más pequeña de las guisantes verdes cercanas.  Crédito de la imagen: SDSS, NASA, ESA, CSA y STScI
Estas imágenes muestran una galaxia de guisante verde captada por el Sloan Digital Sky Survey a la izquierda y una imagen infrarroja de un guisante primitivo capturada por el telescopio espacial James Webb de la NASA. A la izquierda está J122051+491255, un guisante verde a unos 170 millones de años luz de distancia o unos 4000 años luz de diámetro. Este es un tamaño típico para un guisante verde. A la derecha hay un guisante primitivo conocido como 04590, cuya luz tardó 13.100 millones de años en llegar hasta nosotros. 04590 es incluso más compacta que las otras dos galaxias JWST, en comparación con la más pequeña de las guisantes verdes cercanas. Crédito de la imagen: SDSS, NASA, ESA, CSA y STScI

Parte de la fuerza de JWST radica en espectrómetro de infrarrojo cercano (NIRSpec). NIRSpec puede monitorear los espectros de cientos de objetos simultáneamente. Cuando Rhodes y sus colegas examinaron los espectros de todas las galaxias de la imagen, encontraron que las tres parecían guisantes verdes. Los guisantes verdes presentan emisiones de oxígeno, hidrógeno y neón, y el equipo encontró las mismas propiedades, o firmas químicas, en las tres galaxias antiguas y distantes.

Esta imagen se basa en datos del artículo, pero se agregó un subrayado para que sea más legible para los no científicos.  El instrumento NIRSpec de JWST ha capturado las firmas químicas de galaxias seleccionadas detrás de SMACS 0723, incluidos tres objetos distantes débiles.  Cuando se corrige el estiramiento de la longitud de onda causado por la expansión del espacio durante miles de millones de años, los espectros de estas galaxias (mostradas en rojo) muestran características de emisión de oxígeno, hidrógeno y neón que muestran una sorprendente similitud con las vistas desde el llamado guisante verde. galaxias encontradas en algún lugar cercano (en verde).  Además, las observaciones de Webb permitieron medir por primera vez la cantidad de oxígeno en estas galaxias del amanecer cósmico.  Las líneas espectrales se han estirado verticalmente para mostrar estas relaciones.  Crédito de la imagen: Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA/Rhodes et al.  2023
Esta imagen se basa en datos del artículo, pero se agregó un subrayado para que sea más legible para los no científicos. El instrumento NIRSpec de JWST ha capturado las firmas químicas de galaxias seleccionadas detrás de SMACS 0723, incluidos tres objetos distantes débiles. Cuando se corrige el alargamiento de la longitud de onda causado por la expansión del espacio durante miles de millones de años, los espectros de estas galaxias (que se muestran en rojo) muestran características de emisión de oxígeno, hidrógeno y neón que son sorprendentemente similares a las que se observan en las llamadas galaxias del guisante verde. encontrado cerca (en verde). Además, las observaciones de Webb permitieron medir por primera vez la cantidad de oxígeno en estas galaxias del amanecer cósmico. Las líneas espectrales se han estirado verticalmente para mostrar estas relaciones. Crédito de la imagen: Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA/Rhodes et al. 2023

Algo inusual sucede cuando las galaxias de alrededor de 13 mil millones de años tienen la misma firma química o mineral que las galaxias más jóvenes. Esto se debe a que la metalicidad aumenta con la edad del universo. Metálico, que en astronomía se refiere a elementos químicos más pesados ​​que el hidrógeno y el helio, aumenta a medida que las estrellas subsiguientes viven y mueren. Las estrellas crean elementos más pesados ​​a través de la síntesis nuclear, y cuando las estrellas mueren, liberan esos minerales al espacio para ser absorbidos por la próxima generación de formación estelar.

“Vemos estos objetos tal como existían hace 13.100 millones de años, cuando el universo tenía aproximadamente el 5% de su edad actual”, dijo Sangeeta Malhotra, investigador de Goddard. Y vemos que son galaxias jóvenes en todos los sentidos de la palabra, llenas de estrellas jóvenes y gas brillante que contienen pequeños productos químicos reciclados de antiguas estrellas. De hecho, uno de ellos contiene solo el 2% del oxígeno que se encuentra en una galaxia como la nuestra y puede ser la galaxia químicamente más primitiva identificada hasta ahora”.

El contenido de oxígeno juega un papel importante en la comparación. Dos de las tres galaxias contienen solo el 20% del oxígeno que se encuentra en la Vía Láctea y una contiene solo el 2%. Su contenido de oxígeno es muy similar al de los guisantes verdes. ¿Por qué las modernas galaxias de guisantes verdes tienen la misma metalicidad que las primeras galaxias del universo?

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Parte de la respuesta está en los guisantes verdes. En términos de metalicidad, particularmente el contenido de oxígeno, y la formación de estrellas, son contrapartes de bajo desplazamiento al rojo de las galaxias de mayor desplazamiento al rojo en la imagen JWST. Como están mucho más cerca, es mucho más fácil observarlos y estudiarlos.

“Los isótopos de bajo corrimiento al rojo de las galaxias de la era de la reionización han sido de enorme valor en los últimos años porque nos han permitido estudiar las propiedades de los objetos cercanos que no se pueden estudiar directamente en las tenues galaxias de corrimiento al rojo de Cosmic Dawn”, escriben los autores. en su papel. Su trabajo muestra cómo el poderoso JWST puede desentrañar detalles importantes en las emisiones de las galaxias con desplazamiento al rojo tenue. Aunque estos resultados se basan en los primeros lanzamientos del JWST, las observaciones futuras proporcionarán más detalles sobre las galaxias antiguas. “Eventualmente, estos incluirán el acabado metálico, la temperatura, el coeficiente de ionización, la densidad y la presión del gas”, explican.

Pero algunas propiedades de estas primeras galaxias permanecerán ocultas por el perturbador efecto de los intensos desplazamientos hacia el rojo. Algunas de estas características se pueden ver más fácilmente en los guisantes verdes. “Por ejemplo, las emisiones de radio del gas atómico en galaxias individuales se pueden estudiar en los guisantes verdes, pero son esquivas en el universo primitivo”, explican. Estas emisiones de radio pueden brindar más información a los astrónomos sobre el hidrógeno y la formación de estrellas en las galaxias, entre otras cosas.

Encontrar conexiones entre guisantes verdes y galaxias antiguas altamente desplazadas hacia el rojo es un desarrollo importante en cosmología. Esto significa que las observaciones de guisantes verdes pueden ayudar a explicar las primeras galaxias. “Por lo tanto, JWST ahora nos brinda la validación de grupos análogos locales con detalles y confianza sin precedentes, lo que abre el camino para nuevos avances utilizando las galaxias jóvenes más distantes y más cercanas”, explican los investigadores.

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