Webb revela secretos de una de las galaxias más lejanas jamás vistas

Analizando profundamente el espacio y el tiempo, dos equipos que utilizan el telescopio espacial James Webb de la NASA han estudiado una galaxia excepcionalmente luminosa, GN-z11, que existió cuando nuestro universo, de 13.800 millones de años de edad, tenía solo unos 430 millones de años.

El instrumento NIRCam del telescopio espacial James Webb de la NASA muestra una porción del campo de galaxias GOODS en el cielo del norte. Abajo a la derecha, un recorte destaca la galaxia GN-z11. / NASA, ESA, CSA, Brant Robertson (UC Santa Cruz), Ben Johnson (CfA), Sandro Tacchella (Cambridge), Marcia Rieke (Universidad de Arizona), Daniel Eisenstein (CfA)

Detectada inicialmente con el telescopio espacial Hubble de la NASA, esta galaxia —una de las más jóvenes y lejanas jamás observadas— es tan brillante que está desafiando a los científicos a comprender por qué. Ahora, GN-z11 revela algunos de sus secretos.

Un equipo que estudia a GN-z11 con Webb encontró la primera evidencia clara de que esta galaxia alberga un agujero negro central supermasivo que está acumulando materia rápidamente. Su hallazgo lo convierte en el agujero negro supermasivo activo más lejano detectado hasta la fecha.

“Encontramos gas extremadamente denso que es común en los alrededores de los agujeros negros supermasivos que acumulan gas”, explicó el investigador principal, Roberto Maiolino, del Laboratorio Cavendish y el Instituto Kavli de Cosmología de la Universidad de Cambridge en el Reino Unido. “Estas fueron las primeras señales claras de que GN-z11 alberga un agujero negro que está engullendo materia”.

Esta imagen del instrumento cámara de infrarrojo cercano (NIRCam) del telescopio espacial James Webb de la NASA muestra una parte del campo de galaxias de GOODS en el cielo del norte. En la parte inferior derecha, un recuadro resalta la galaxia GN-z11, que se observa en un tiempo apenas 430 millones de años después del Big Bang. La imagen revela un componente extendido, que delinea a la galaxia anfitriona GN-z11, y una fuente central compacta cuyos colores son consistentes con los de un disco de acrecimiento alrededor de un agujero negro. / NASA, ESA, CSA, Brant Robertson (UC Santa Cruz), Ben Johnson (CfA), Sandro Tacchella (Cambridge), Marcia Rieke (Universidad de Arizona), Daniel Eisenstein (CfA)

Utilizando Webb, el equipo también halló indicios de elementos químicos ionizados que normalmente se observan cerca de agujeros negros supermasivos en curso de crecimiento. Además, descubrieron un viento muy poderoso que es expulsado por la galaxia. Estos vientos de alta velocidad suelen ser impulsados por procesos asociados al acrecentamiento vigoroso de los agujeros negros supermasivos.

“La cámara de infrarrojo cercano (NIRCam, por sus siglas en inglés) de Webb ha revelado un componente extendido, que delinea a la galaxia anfitriona, y una fuente central y compacta cuyos colores son consistentes con los de un disco de acrecimiento alrededor de un agujero negro”, dijo la investigadora Hannah Übler, también del Laboratorio Cavendish y el Instituto Kavli.

En conjunto, esta evidencia muestra que GN-z11 alberga un agujero negro supermasivo de dos millones de masas solares, en una fase muy activa de consumo de materia, razón por la cual es tan luminoso.

Un segundo equipo, también dirigido por Maiolino, utilizó el espectrógrafo del infrarrojo cercano (NIRSpec, por sus siglas en inglés) de Webb para hallar una masa gaseosa de helio en el halo que rodea a GN-z11.

“El hecho de que no veamos nada más allá del helio sugiere que esta masa debe ser relativamente impoluta”, dijo Maiolino. “Esto es algo que se esperaba por la teoría y las simulaciones desarrolladas en las cercanías de galaxias particularmente masivas de estas épocas: que debería haber bolsas de gas impoluto que sobreviven en el halo, y que estas pueden colapsar y formar cúmulos de estrellas de la población III”.

Encontrar las estrellas nunca antes vistas de la población III —la primera generación de estrellas formadas casi en su totalidad a partir de hidrógeno y helio— es uno de los objetivos más importantes de la astrofísica moderna. Se prevé que estas estrellas sean muy masivas, muy luminosas y muy calientes. Se espera que su huella sea la presencia de helio ionizado y la ausencia de elementos químicos más pesados que el helio.

La formación de las primeras estrellas y galaxias marca un cambio fundamental en la historia cósmica, durante el cual el universo evolucionó de un estado oscuro y relativamente simple al entorno altamente estructurado y complejo que vemos en la actualidad.

Esta gráfica dividida en dos partes muestra evidencia de una masa gaseosa de helio en el halo que rodea a la galaxia GN-z11. En la parte superior, en el extremo derecho, un pequeño recuadro identifica a GN-z11 en un campo de galaxias. El recuadro central muestra una imagen ampliada de la galaxia. El recuadro en el extremo izquierdo muestra un mapa del gas helio en el halo de GN-z11, incluyendo una masa gaseosa que no aparece en la vista de colores infrarrojos que se muestran en el panel central. En la mitad inferior de la gráfica, un espectro muestra la “huella” distintiva del helio en el halo. El espectro completo no muestra evidencia de otros elementos, por lo que sugiere que la masa de helio debe ser relativamente impoluta, hecha de hidrógeno y helio gaseoso sobrante del Big Bang, sin mucha contaminación de elementos más pesados producidos por las estrellas. La teoría y las simulaciones desarrolladas en las cercanías de galaxias particularmente masivas de estas épocas predicen que debería haber bolsas de gas impoluto que sobreviven en el halo, y estas pueden colapsar y formar cúmulos de estrellas de la población III. / NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)

En futuras observaciones con el telescopio Webb, Maiolino, Übler y su equipo explorarán GN-z11 en mayor profundidad, y esperan fortalecer el argumento acerca de las estrellas de la población III que podrían estar formándose en su halo.

La investigación acerca de la masa de gas impoluto en el halo de GN-z11 ha sido aceptada para su publicación en la revista científica Astronomy & Astrophysics. Los resultados del estudio del agujero negro de GN-z11 fueron publicados en la revista Nature el 17 de enero de 2024. Los datos fueron obtenidos como parte del Sondeo Avanzado Extragaláctico Profundo con el JWST (JADES), un proyecto conjunto entre los equipos de los instrumentos NIRCam y NIRSpec.

El telescopio espacial James Webb es el principal observatorio de ciencias espaciales del mundo. Webb está resolviendo los misterios de nuestro sistema solar, viendo más allá de mundos lejanos alrededor de otras estrellas y explorando las misteriosas estructuras y los orígenes de nuestro universo y nuestro lugar dentro de él. Webb es un programa internacional dirigido por la NASA con sus socios: la ESA (Agencia Espacial Europea) y la CSA (Agencia Espacial Canadiense).

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