El telescopio Webb descubre secretos de la galaxia primitiva
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Esta imagen del instrumento NIRCam (cámara de infrarrojo
cercano) de Webb muestra una parte del campo de galaxias GOODS-North. En la
parte inferior derecha, una imagen desplegable resalta la galaxia GN-z11, que
se ve justo 430 millones de años después del Big Bang. La imagen revela un
componente extendido, que rastrea la galaxia anfitriona GN-z11, y una fuente
central compacta cuyos colores son consistentes con los de un disco de acreción
que rodea un agujero negro. Crédito: NASA, ESA, CSA, B. Robertson (UC Santa
Cruz), B. Johnson (CfA), S. Tacchella (Cambridge), M. Rieke (Universidad de
Arizona), D. Eisenstein (CfA), CC BY 4.0 Licencia estándar INT o ESA.
Mirando profundamente en el espacio y el tiempo, dos equipos que utilizan el telescopio espacial James Webb de la NASA/ESA/CSA han estudiado la galaxia excepcionalmente luminosa GN-z11, que existía cuando nuestro universo de 13.800 millones de años tenía sólo unos 430 millones de años.
Cumpliendo su promesa de
transformar nuestra comprensión del universo primitivo, el Telescopio Espacial
James Webb está sondeando galaxias cercanas al comienzo de los tiempos. Una de
ellas es la galaxia excepcionalmente luminosa GN-z11, que existía cuando el
universo tenía sólo una pequeña fracción de su edad actual. Detectada
inicialmente con el Telescopio Espacial Hubble de la NASA/ESA, es una de las
galaxias más jóvenes y distantes jamás observadas, y también una de las más
enigmáticas. ¿Por qué es tan brillante? Webb parece haber encontrado la
respuesta.
Un equipo que estudia GN-z11 con
Webb encontró la primera evidencia clara de que la galaxia alberga un agujero
negro supermasivo central que está acumulando materia rápidamente. Su hallazgo
convierte a este en el agujero negro supermasivo activo más distante detectado
hasta la fecha.
"Encontramos gas
extremadamente denso, común en las proximidades de agujeros negros
supermasivos, que acumula gas", explicó el investigador principal Roberto
Maiolino, del Laboratorio Cavendish y del 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 devorando
materia".
Este gráfico de dos partes muestra evidencia de una
acumulación gaseosa de helio en el halo que rodea la galaxia GN-z11. En la
parte superior, en el extremo derecho, un pequeño cuadro identifica GN-z11 en
un campo de galaxias. El cuadro del medio muestra una imagen ampliada de la
galaxia. El cuadro en el extremo izquierdo muestra un mapa del gas helio en el
halo de GN-z11, incluido un grupo que no aparece en los colores infrarrojos que
se muestran en el panel central. En la mitad inferior del gráfico, un espectro
muestra la distintiva "huella digital" del helio en el halo. El
espectro completo no muestra evidencia de otros elementos y por lo tanto
sugiere que la masa de helio debe ser bastante prístina, compuesta casi en su
totalidad por hidrógeno y gas helio sobrantes del Big Bang, sin mucha
contaminación de elementos más pesados producidos por las estrellas. La teoría
y las simulaciones en las proximidades de galaxias particularmente masivas de
estas épocas predicen que debería haber bolsas de gas prístino sobreviviendo en
el halo, que podrían colapsar y formar cúmulos estelares de Población III.
Crédito: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI), CC BY 4.0 INT o Licencia
estándar de la ESA.
Utilizando el Webb, el equipo
también encontró indicios de elementos químicos ionizados que normalmente se
observan cerca de agujeros negros supermasivos en acreción. Además,
descubrieron que la galaxia está expulsando un viento muy poderoso. Estos
vientos de alta velocidad suelen ser impulsados por procesos asociados con
agujeros negros supermasivos que se acumulan vigorosamente.
"La NIRCam (cámara de
infrarrojo cercano) de Webb ha revelado un componente extendido que rastrea la
galaxia anfitriona y una fuente central compacta cuyos colores son consistentes
con los de un disco de acreción que rodea 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 masa
solar 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 NIRSpec (espectrógrafo de infrarrojo cercano)
de Webb para encontrar una masa gaseosa de helio en el halo que rodea al
GN-z11.
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Esta imagen del campo GOODS-North, capturada por la cámara de
infrarrojo cercano (NIRCam) de Webb, muestra flechas de brújula, una barra de
escala y una clave de color como referencia. Las flechas de la brújula norte y
este muestran la orientación de la imagen en el cielo. Tenga en cuenta que la
relación entre el norte y el este en el cielo (visto desde abajo) está
invertida en relación con las flechas de dirección en un mapa del suelo (visto
desde arriba). La barra de escala está etiquetada en distancia angular en el
cielo, donde un segundo de arco es una 3600 de grado. La barra de escala tiene
una longitud de 60 segundos de arco. Esta imagen muestra longitudes de onda de
luz invisibles en el infrarrojo cercano que se han traducido en colores de luz
visible. La clave de color muestra qué filtros NIRCam se utilizaron al recoger
la luz. El color del nombre de cada filtro es el color de la luz visible que se
utiliza para representar la luz infrarroja que pasa a través de ese filtro.
Crédito: NASA, ESA, CSA, B. Robertson (UC Santa Cruz), B. Johnson (CfA), S.
Tacchella (Cambridge), M. Rieke (Universidad de Arizona), D. Eisenstein (CfA),
CC BY 4.0 Licencia estándar INT o ESA. |
"El hecho de que no veamos
nada más que helio sugiere que este grupo debe ser bastante prístino",
dijo Roberto. "Esto es algo que la teoría y las simulaciones esperaban en
las proximidades de galaxias particularmente masivas de estas épocas: que
debería haber bolsas de gas prístino sobreviviendo en el halo, y éstas podrían
colapsar y formar cúmulos estelares de Población III".
Encontrar las estrellas de
Población III, hasta ahora invisibles, 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 espera que estas
estrellas sean muy masivas, muy luminosas y muy calientes. Su firma sería 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 la cual el universo evolucionó desde un estado oscuro y relativamente
simple hasta el entorno altamente estructurado y complejo que vemos hoy.
En futuras observaciones de Webb,
Roberto, Hannah y su equipo explorarán GN-z11 con mayor profundidad y esperan
fortalecer los argumentos a favor de las estrellas de Población III que pueden
estar formándose en su halo.
La investigación sobre la prístina
masa de gas en el halo de GN-z11 ha sido aceptada para su publicación en
Astronomy & Astrophysics y actualmente está disponible en el servidor de
preimpresión arXiv. Los resultados del estudio del agujero negro GN-z11 se
publicaron en la revista Nature el 17 de enero de 2024.
Fuente: Agencia Espacial Europea
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