A levantarse, ¡está amaneciendo!

Título original: “Spectroscopy of four metal-poor galaxies beyond redshift ten”

Autoras/es: Emma Curtis-Lake, Stefano Carniani, Alex Cameron, et al. 

Institución de la primera autora: Centre for Astrophysics Research, Department of Physics, Astronomy and Mathematics, University of Hertfordshire, Hatfield AL10 9AB, UK

Estado del artículo: Disponible con acceso abierto en arXiv e-prints. 

Para poder entender las condiciones físicas y los procesos que dieron origen a las primeras estrellas, es primordial estudiar las primeras galaxias que iluminaron nuestro Universo durante el llamado “Amanecer Cósmico”, que ocurrió entre 250 y 350 millones después del Big Bang (en este astrobito puedes leer más sobre esta época). Y no sólo eso, sino que las primeras galaxias que se formaron en el Universo podrían ser las semillas de las galaxias muchísimo más masivas que podemos observar en el Universo Local. 

JWST y las primeras galaxias

En los últimos meses, con las imágenes del Telescopio Espacial James Webb (JWST), se han identificado decenas de galaxias que podrían tener un corrimiento al rojo cosmológico o “redshift” (z) mayor a 10, es decir, que se formaron menos de 450 millones de años después del Big Bang. Este corrimiento al rojo o redshift, se debe a que las galaxias emitieron su luz hace muchísimo tiempo, y desde entonces el Universo se ha expandido aceleradamente, por lo que la radiación que recibimos de estos objetos se observa en longitudes de onda más largas que las emitidas. 

Observar las primeras galaxias del Universo es uno de los principales objetivos de JWST, pero la mayoría de las galaxias candidatas a tener alto redshift, lo son debido a su fotometría, donde obteniendo la magnitud de estas galaxias en distintas longitudes de onda o filtros, se pueden ajustar modelos de espectros a dichos resultados. Por lo que sólo con este método, cabe la posibilidad de que sean galaxias a bajo redshift, es decir, más cercanas y más recientemente formadas. Es por esto que para poder confirmar a esas candidatas, es necesario analizar sus espectros. De esta forma, es posible asegurarnos de qué elementos o líneas realmente se encuentran en estas galaxias o no, y en qué longitudes de onda se observan. 

Por otra parte, los modelos teóricos sobre las primeras galaxias dependen de varios factores como el enfriamiento del gas, la fragmentación de nubes primordiales, el material dejado por las primeras estrellas, supernovas que enriquecen al medio, y las primeras fusiones entre galaxias. Por lo tanto, la detección y caracterización de las primeras galaxias son cruciales para comprobar teorías y modelos sobre formación y evolución de galaxias.

El poder de la espectroscopía

En el artículo de hoy, las y los autores presentan un análisis espectroscópico de 4 galaxias, previamente seleccionadas gracias a NIRCam, la cámara infrarroja de JWST. Estas galaxias fueron detectadas como parte del JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES). Dos de ellas, GS-z12-0 y GS-z13-0, son candidatas a tener redshift z > 12 gracias a NIRCam; mientras que las otras dos, GS-z10-0 y GS-z11-0, tendrían un redshift z > 10, según fotometría obtenida con el Telescopio Espacial Hubble (HST) (ver Figura 1).

Figura 1: Campo de Observación del Catálogo JADES. Donde se se muestran en tamaño aumentado las 4 galaxias candidatas a tener un redshift z > 10. (Crédito: NASA, ESA, CSA, M. Zamani (ESA/Webb)/JADES COLLABORATION, BBC).

Las galaxias a alto redshift tienen un espectro bastante particular hacia el rango ultravioleta, donde el espectro azul producido por estrellas muy calientes y masivas, disminuye abruptamente por debajo del límite de Lyman (912 Å), debido a que el hidrógeno neutro del medio intergaláctico absorbe la luz de dichas estrellas. 

A redshifts muy altos, es decir, z ≥ 6, el hidrógeno neutro intergaláctico absorbe casi completamente las longitudes onda por debajo de la línea Lyman alfa (Lyα) a 1.216 Å. Este efecto se traduce en una falta de detección en bandas hacia el azul desde (1 + z)•1.216 Å, pero sí hay flujo hacia longitudes más rojas desde la misma longitud de onda. Sin embargo, este efecto puede ser “imitado” por galaxias a bajo redshift que estén enrojecidas debido al polvo y presenten líneas nebulosas. 

Para confirmar una galaxia a alto redshift, se deben usar observaciones espectroscópicas para detectar un corrimiento al rojo de las líneas nebulosas o para detectar un pronunciado corte en (1 + z)•1216 Å. Además, gracias a los resultados mostrados en el artículo, demuestran que se puede probar la física de estas galaxias y también del medio intergaláctico.

Confirmando las primeras “primeras galaxias” 

Las y los autores del artículo obtienen espectros en 1D y en 2D (los primeros mostrados en la Figura 2), los cuales muestran una clara detección del continuo en azul, pero que disminuye de manera drástica, y de forma consistente con una “baja” de Lyman, o “Lyman break”, a z > 10. En el artículo derivan el redshift gracias a la posición de este “break”, que es tomado como la longitud de onda de la línea Lyα a 1215.67 Å. Los redshift obtenidos para estas galaxias varían entre z~10.3 y z~13.2. En el artículo también destacan que la posibilidad de que este “break” sea producido por estrellas evolucionadas en galaxias a z~3, es descartada con bastante certeza. 

Figura 2: Espectros en 1D de las galaxias presentadas en el artículo. Arriba: GS-z10-0 a la izquierda y GS-z11-0 a la derecha. Abajo: GS-z12-0 a la izquierda y GS-z13-0 a la derecha. La línea punteada roja muestra la longitud de onda 1215.67 Å al redshift observado. Las imágenes en la esquina superior derecha de cada panel muestran la imagen de cada galaxia obtenida con el filtro F444W NIRCam. (Crédito: Figura 1 del artículo adaptada).

Por otra parte, también obtienen las metalicidades y las tasas de formación estelar de estas galaxias. La metalicidad de estas galaxias es bastante baja, de tan sólo un pequeño porcentaje de la metalicidad solar, mientras que la tasa de formación estelar es moderada, con unas pocas masas solares por año. Sin embargo, en el artículo también señalan que las edades y masas estelares deberían ser corregidas con fotometría de NIRCam, si es que estos objetos son extendidos, por ejemplo. De todas formas, con estos resultados preliminares obtienen límites inferiores y superiores: las edades estelares varían entre 5 y 230 millones de años, y las masas entre 2 y 460 millones de masas solares. Los espectros obtenidos también son consistentes con un medio intergaláctico completamente neutro en la época. 

Estos resultados son un hito para la misión de JWST, que ha logrado empujar la frontera de la espectroscopía hacia una época muy temprana de la formación de galaxias. Demostrando además, que las primeras galaxias del Amanecer Cósmico aparecieron bastante rápido, lo que aun se debe seguir explicando durante los próximos años.