- Título original: Two Remarkably Luminous Galaxy Candidates at z ≈ 10–12 Revealed by JWST
- Autores/as: Rohan P. Naidu, Pascal A. Oesch, Pieter van Dokkum, Erica J. Nelson, Katherine A. Suess, Gabriel Brammer, Katherine E. Whitaker, Garth Illingworth, Rychard Bouwens, Sandro Tacchella, Jorryt Matthee, Natalie Allen, Rachel Bezanson, Charlie Conroy, Ivo Labbe, Joel Leja, Ecaterina Leonova, Dan Magee, Sedona H. Price, David J. Setton, Victoria Strait, Mauro Stefanon, Sune Toft, John R. Weaver, Andrea Weibel
- Institución del primer autor: Center for Astrophysics, Harvard & Smithsonian / MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, Estados Unidos
- Estado: Publicado en The Astrophisical Journal Letters en formato Open Access, libre acceso en arXiv.
Una de las interrogantes más grandes de la astronomía moderna es entender cuándo y cómo se formaron las primeras galaxias. Según la teoría del Big Bang, en los primeros cientos de miles de años luego de la formación del Universo no existían estrellas ni galaxias, sólo grandes nubes de Hidrógeno. Recién a partir de los 200 a 500 millones de años luego del Big Bang, las primeras estrellas empezaron a agruparse para dar lugar a las galaxias más tempranas. Estas jóvenes galaxias, compuestas por estrellas grandes, habrían tenido una forma bastante irregular, dada por la continua colisión de esas nubes de Hidrógeno. Las galaxias que, como nuestra Vía Láctea, presentan un disco, recién podrían haber sido formadas mucho tiempo después, cuando el Universo se transformó en un lugar mucho menos caótico. O al menos eso se creía.
Entendiendo las primeras galaxias
Una de las herramientas más usadas para hablar sobre las primeras galaxias es el llamado corrimiento al rojo. Básicamente, se trata de un fenómeno similar al efecto Doppler, donde la longitud de onda que un observador recibe se ve modificada. Sin embargo, el corrimiento al rojo que se ve en las galaxias tiene una diferencia fundamental: mientras en el efecto Doppler esa modificación se da por un movimiento de la fuente de las ondas, en el caso de las galaxias sucede porque el Universo se expande. Como ejemplo sencillo para entender este fenómeno, imaginemos una onda que fue emitida hace mucho tiempo, digamos que en ese entonces la longitud de esa onda valía 1. Nosotros la observamos mucho tiempo después, así que en todo ese tiempo, el Universo se expandió, entonces lo que antes valía 1 ahora vale 5. Entonces, sabiendo el ritmo al que el Universo se expande a través de la Ley de Hubble-Lemaître, podemos relacionar ese cambio en longitud de onda con el momento en que la luz que hoy vemos fue emitida.
Entonces, para saber qué tan vieja es la luz que proviene de una galaxia, sólo hay que analizar su espectro, esto es, la cantidad de luz que recibimos en cada longitud de onda, y luego revisar qué tan corrido está. El problema es que en general no sabemos bien cuál es la posición original en la que debería estar. Por esto, los astrónomos de este trabajo utilizaron una característica de las galaxias antiguas: como mencionamos anteriormente, todo el Universo está lleno de estas grandes nubes de Hidrógeno neutro. El Hidrógeno posee una “huella digital” en su espectro, llamada serie de Lyman, que se encuentra siempre en la misma longitud de onda. Básicamente, esto es una serie de valores de longitud de onda que el Hidrógeno absorbe muy eficientemente. Teniendo en cuenta el corrimiento, lo esperable para estas galaxias muy antiguas es encontrar un “corte” en su espectro, que coincide con el valor más bajo de longitud de onda de la serie. Los autores de este trabajo analizaron la posición de este corte para 2 galaxias observadas por el JWST, obteniendo un corrimiento de 12.4 y 10.4 respectivamente. Por estos valores, los nombres asignados a las galaxias fueron GLz12 y GLz10, respectivamente.
Galaxias muy antiguas… y sorprendentemente grandes
Estos corrimientos se corresponden con la formación de estas galaxias unos 340 y 430 millones de años luego del Big Bang, por lo que estas galaxias se encuentran entre las más antiguas jamás observadas. No solo esto, sino que son sorprendentemente luminosas para el momento en que se formaron: como mencionamos anteriormente, poco tiempo después del Big Bang, el Universo se encontraba todavía en un estado inestable, con permanentes colisiones entre sus componentes, por lo que era difícil poder ensamblar galaxias muy grandes antes de que fueran destruidas por una colisión. En este astrobito se analizó un artículo que reportó una galaxia muy luminosa con corrimiento 11 (GNz11), pero no estaba claro si se trataba de un caso especial o un efecto más general que todavía faltaba entender.
Los resultados de este artículo muestran que estas galaxias tienen masas de varios miles de millones de la de nuestro Sol. Además, el haberlas observado con el JWST implica que se pudo obtener una resolución mucho más alta que en el pasado, por lo que se pudo analizar su estructura. Especialmente en el caso de GLz10, el patrón de brillo observado se corresponde muy bien con una galaxia que presenta un disco, algo que los modelos clásicos no preveían para galaxias tan antiguas. Para tener un ejemplo, la galaxia con disco más antigua observada antes databa de 1500 millones de años luego del Big Bang, con un corrimiento al rojo de 4.3 (el artículo se puede encontrar aquí).
Si bien el número de galaxias muy brillantes con un alto corrimiento es todavía bajo, los modelos actuales dicen que debería ser extremadamente difícil encontrarlas. Sin embargo, el trabajo presentado aquí muestra los resultados del primer estudio realizado con el JWST, donde ya se encontraron estas dos galaxias. Las posibilidades son entonces que los astrónomos han tenido mucha suerte al encontrarlas, o que nuestro conocimiento acerca de las primeras galaxias de nuestro Universo es todavía muy incompleto. La diferencia es que hoy contamos con herramientas excelentes como el JWST que nos permitirán conocer un poco más en un futuro no muy lejano.
Crédito de la imagen destacada: GLASS-z13 en JWST NIRCam (Naidu et al. 2022). Imagen compuesta: Gabriel Brammer (Cosmic Dawn Center, Niels Bohr Institute, University of Copenhagen). Imágenes sin procesar: T. Treu (UCLA) y GLASS-JWST.
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