Webb ve granos de polvo ricos en carbono en los primeros mil millones de años del tiempo cósmico
Por primera vez, el Telescopio Espacial James Webb de la NASA/ESA/CSA ha observado la firma química de los granos de polvo ricos en carbono con un corrimiento al rojo ~ 7 [1] , lo que equivale aproximadamente a mil millones de años después del nacimiento del Universo.
Galaxy JADES-GS-z6 en el campo GOODS-S: JADES / NIRCam
Se han observado firmas de observación similares en el Universo mucho más reciente, atribuidas a moléculas complejas basadas en carbono conocidas como hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP). Sin embargo, no se cree probable que los PAH se hayan desarrollado dentro de los primeros mil millones de años del tiempo cósmico. Por lo tanto, esta observación sugiere la emocionante posibilidad de que Webb haya observado una especie diferente de molécula basada en carbono: posiblemente minúsculos granos de grafito o de diamante producidos por las primeras estrellas o supernovas. Esta observación sugiere emocionantes vías de investigación tanto en la producción de polvo cósmico como en las primeras poblaciones estelares de nuestro Universo, y fue posible gracias a la sensibilidad sin precedentes de Webb.
Los espacios aparentemente vacíos de nuestro Universo a menudo no están vacíos en absoluto, sino que están ocupados por nubes de gas y polvo cósmico. Este polvo consiste en granos de varios tamaños y composiciones que se forman y expulsan al espacio de diversas formas, incluso por eventos de supernova. Este material es crucial para la evolución del Universo, ya que las nubes de polvo finalmente forman los lugares de nacimiento de nuevas estrellas y planetas. Sin embargo, también puede ser un obstáculo para los astrónomos: el polvo absorbe la luz estelar en ciertas longitudes de onda ., lo que hace que algunas regiones del espacio sean muy difíciles de observar. Sin embargo, una ventaja es que ciertas moléculas absorberán o interactuarán de manera muy consistente con longitudes de onda de luz específicas. Esto significa que los astrónomos pueden adquirir información sobre la composición del polvo cósmico al observar las longitudes de onda de la luz que bloquea. Un equipo internacional de astrónomos utilizó esta técnica, combinada con la extraordinaria sensibilidad de Webb, para detectar la presencia de granos de polvo ricos en carbono solo mil millones de años después del nacimiento del Universo.
Joris Witstok de la Universidad de Cambridge, el autor principal de este trabajo, elabora: “Los granos de polvo ricos en carbono pueden ser particularmente eficientes en la absorción de luz ultravioleta con una longitud de onda de alrededor de 217,5 nanómetros, que por primera vez hemos observado directamente en el espectro de galaxias muy tempranas”.
Esta característica prominente de 217,5 nanómetros se ha observado previamente en el Universo mucho más reciente y local, tanto dentro de nuestra propia galaxia, la Vía Láctea, como en galaxias con desplazamiento al rojo de hasta ~ 3 [1 ] . Se ha atribuido a dos tipos diferentes de especies a base de carbono: hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP) o granos grafíticos de tamaño nanométrico. Los PAH son moléculas complejas, y los modelos modernos predicen que deberían pasar varios cientos de millones de años antes de que se formen. Sería sorprendente, por lo tanto, si el equipo hubiera observado la firma química de una mezcla de granos de polvo que incluyen especies que es poco probable que se hayan formado todavía. Sin embargo, según el equipo científico, este resultado es la firma directa más temprana y distante de este tipo particular de grano de polvo rico en carbono.
La respuesta puede estar en los detalles de lo que se observó. Como ya se dijo, la característica asociada con la mezcla de polvo cósmico de PAH y pequeños granos de grafito es de 217,5 nanómetros. Sin embargo, la característica observada por el equipo en realidad alcanzó un máximo de 226,3 nanómetros. Un nanómetro es una millonésima de milímetro, y esta discrepancia de menos de diez nanómetros podría explicarse por un error de medición. Igualmente, también podría indicar una diferencia en la composición de la mezcla de polvo cósmico del Universo temprano que detectó el equipo.
” Este ligero cambio en la longitud de onda de donde la absorción es más fuerte sugiere que podemos estar viendo una mezcla diferente de granos, por ejemplo, granos de grafito o de diamante”, agrega Witstok. “Esto también podría ser producido potencialmente en escalas de tiempo cortas por estrellas Wolf-Rayet o eyecciones de supernovas”.
La detección de esta característica en el Universo primitivo es sorprendente y permite a los astrónomos postular sobre los mecanismos que podrían crear tal mezcla de granos de polvo. Esto implica aprovechar el conocimiento existente a partir de observaciones y modelos. Witstok sugiere que se formaron granos de diamante en la eyección de supernova porque los modelos sugirieron previamente que los nano-diamantes podrían formarse de esta manera. Se sugieren estrellas Wolf-Rayet porque son excepcionalmente calientes hacia el final de sus vidas, y las estrellas muy calientes tienden a vivir rápido y morir jóvenes; dando tiempo suficiente para que nacieran, vivieran y murieran generaciones de estrellas, para distribuir granos ricos en carbono en el polvo cósmico circundante en menos de mil millones de años. Los modelos también han demostrado que ciertos tipos de estrellas Wolf-Rayet pueden producir granos ricos en carbono. e igualmente importante que esos granos puedan sobrevivir a las muertes violentas de esas estrellas. Sin embargo, todavía es un desafío explicar completamente estos resultados con la comprensión existente de la formación temprana de polvo cósmico. Por lo tanto, estos resultados informarán el desarrollo de modelos mejorados y futuras observaciones.
Antes de Webb, las observaciones de múltiples galaxias tenían que combinarse para obtener señales lo suficientemente fuertes como para hacer deducciones sobre las poblaciones estelares en las galaxias y aprender cómo su luz se veía afectada por la absorción de polvo. Es importante destacar que los astrónomos se limitaron a estudiar galaxias relativamente viejas y maduras que habían tenido mucho tiempo para formar estrellas y polvo. Esto limitó su capacidad para precisar realmente las fuentes clave de polvo cósmico. Con la llegada de Webb, los astrónomos ahora pueden hacer observaciones muy detalladas de la luz de galaxias enanas individuales, vistas en los primeros mil millones de años del tiempo cósmico. Webb finalmente permite el estudio del origen del polvo cósmico y su papel en las primeras etapas cruciales de la evolución de las galaxias.
“Este descubrimiento fue posible gracias a la mejora sin precedentes de la sensibilidad en la espectroscopia de infrarrojo cercano proporcionada por Webb, y específicamente su espectrógrafo de infrarrojo cercano ( NIRSpec )”, señaló el miembro del equipo Roberto Maiolino de la Universidad de Cambridge y el University College London. “El aumento de sensibilidad proporcionado por Webb es equivalente, en lo visible, a actualizar instantáneamente el telescopio de 37 milímetros de Galileo al Very Large Telescope de 8 metros (uno de los telescopios ópticos modernos más poderosos)”.
NIRSpec fue construido para la Agencia Espacial Europea por un consorcio de empresas europeas lideradas por Airbus Defence and Space (ADS) con el Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA proporcionando sus subsistemas de detector y microobturador. El objetivo principal de NIRSpec es permitir grandes estudios espectroscópicos de objetos astronómicos como estrellas o galaxias distantes. Esto es posible gracias a su potente modo de espectroscopia multiobjeto, que utiliza microobturadores. Este modo es capaz de obtener espectros de hasta casi 200 objetos simultáneamente, en un campo de visión de 3,6 × 3,4 minutos de arco, la primera vez que se proporciona esta capacidad desde el espacio. Este modo hace un uso muy eficiente del valioso tiempo de observación de Webb.
El equipo también está planeando más investigaciones sobre los datos y este resultado. “Planeamos seguir trabajando con teóricos que modelen la producción de polvo y el crecimiento de las galaxias”, comparte Irene Shivaei, miembro del equipo de la Universidad de Arizona/Centro de Astrobiología (CAB). “Esto arrojará luz sobre el origen del polvo y los elementos pesados en el Universo primitivo”.
Estas observaciones se realizaron como parte del Sondeo Extragaláctico Profundo Avanzado del JWST, o JADES, que dedicó aproximadamente 32 días de tiempo del telescopio a descubrir y caracterizar galaxias distantes débiles. Este programa ha facilitado el descubrimiento de cientos de galaxias que existieron cuando el Universo tenía menos de 600 millones de años, incluidas algunas de las galaxias más lejanas conocidas hasta la fecha . La gran cantidad y madurez de estas galaxias estaba mucho más allá de las predicciones de las observaciones realizadas antes del lanzamiento de Webb. Este nuevo resultado de los granos de polvo del Universo primitivo contribuye a nuestra comprensión creciente y evolutiva de la evolución de las poblaciones estelares y las galaxias durante los primeros mil millones de años del tiempo cósmico.
” Este descubrimiento implica que las galaxias jóvenes en el Universo primitivo se desarrollan mucho más rápido de lo que habíamos anticipado “, agrega el miembro del equipo Renske Smit de la Universidad John Moores de Liverpool en el Reino Unido. “Webb nos muestra una complejidad de los primeros lugares de nacimiento de estrellas (y planetas) que los modelos aún no han explicado”.
Los resultados se han publicado hoy en Nature .
