Se sabe que las estrellas Wolf-Rayet son eficientes productoras de polvo, especialmente partículas a base de carbono. Crédito: Telescopio espacial James Webb
Cuantos más astrónomos observan el universo primitivo, más descubrimientos hacen. Algunos de estos hallazgos cambian lo que creían saber sobre los orígenes del cosmos. Por ejemplo, el Telescopio Espacial James Webb (JWST) encontró recientemente evidencia de partículas de carbono y polvo solo mil millones de años después del Big Bang. Se ve un poco diferente del polvo observado más tarde en el universo.
El descubrimiento de JWST proviene de un primer estudio de galaxias llamado JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey). El estudio tomó 32 días de telescopio para observar y caracterizar las primeras galaxias débiles. El polvo observado estaba en al menos una de las cientos de galaxias estudiadas. Parece estar compuesto de grafito o granos similares a diamantes que a menudo vemos en las últimas etapas de la historia cósmica.
Sus firmas químicas se parecen notablemente a las moléculas a base de carbono llamadas “hidrocarburos aromáticos policíclicos” (HAP). Estas moléculas luego ocurren en abundancia en todo el universo, pero es poco probable que existieran cuando el universo tenía solo mil millones de años. Entonces, ¿cómo podrían existir doppelgangers de moléculas PAH tan temprano en la historia?
Determinar la fuente de estas moléculas a base de carbono
El astrónomo Joris Witsok, autor principal del artículo que informa sobre el descubrimiento, especuló que los granos con forma de diamante se originaron a partir de escombros expulsados durante las explosiones de supernovas. “También podría ser producido potencialmente en escalas de tiempo cortas por estrellas Wolf-Rayet o eyecciones de supernovas”, explicó.
Impresión artística de estrellas masivas y brillantes de primera generación en el universo. Cuando murieron, sus explosiones de supernova produjeron polvo. Fuente: NAOC
Estas estrellas viejas y muy calientes pueden ser precursoras de algunos tipos de explosiones de supernova. Serían bases ideales para crear nanodiamantes y otros polvos a base de carbono. De hecho, algunos modelos muestran que los granos ricos en carbono provienen de ciertos tipos de estrellas Wolf-Rayet. No solo eso, sino que estos granos pueden sobrevivir cuando las estrellas explotan como supernovas.
La siguiente pregunta es si tales estrellas existieron en el universo primitivo para producir el polvo observado por JWST. El polvo ciertamente proporciona pistas tentadoras sobre las primeras poblaciones estelares del universo. Eso es porque esas primeras estrellas eran masivas y explotaron como supernovas.
Los primeros fueron cuando el universo era bastante joven, quizás cien millones de años después del Big Bang. Ciertamente, las primeras galaxias se formaron unos 400 millones de años después del Big Bang. Las primeras estrellas fueron monstruos masivos hechos de hidrógeno y helio. Vivieron poco, rápido y explotaron como supernovas. Estas explosiones pueden haber proporcionado los primeros ejemplos de polvo en el universo.
Con más episodios de formación estelar en las primeras galaxias, se acumuló polvo, y eso es lo que detectó JWST. Las partículas de carbono y los nanodiamantes requieren condiciones energéticas calientes específicas que las primeras estrellas pueden haber proporcionado.
Partículas de carbón y polvo
El polvo se encuentra por todo el cosmos. Dado que es un producto de la evolución estelar, no sorprende encontrar este material en el universo primitivo. Proporciona información sobre los procesos estelares, pero también oculta muchas cosas. Por ejemplo, el polvo nos dificulta observar el núcleo de la Vía Láctea, así como los objetos del universo infantil. Afortunadamente, existen métodos para “revisar” esto, y eso es exactamente lo que hace JWST.
El análisis químico del polvo proporciona los más mínimos detalles sobre su composición. Algunas partículas de polvo interactúan con ciertos tipos de luz. Los astrónomos usan esta propiedad para averiguar de qué está hecho el polvo. Eso es lo que hizo el equipo dirigido por Witstok con sus observaciones JWST. “Los granos de polvo ricos en carbono pueden ser particularmente efectivos para absorber la luz ultravioleta alrededor de 217,5 nanómetros, que observamos directamente por primera vez en los espectros de las galaxias muy tempranas”, dijo sobre sus observaciones.
Esta imagen destaca la ubicación de JADES-GS-z6 en la parte del cielo conocida como GOODS-South, que fue observada por el JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES). Estas observaciones proporcionaron evidencia de la existencia de moléculas a base de carbono. Fuente: JWST
La absorción a una longitud de onda de 217,50 nanómetros es una excelente herramienta para observar polvo y figuras que juegan un papel importante en la observación de moléculas de PAH en el universo. Identifica tanto partículas de PAH como nanopartículas de grafito. Sería genial si los HAP existieran al principio de la historia espacial. Sin embargo, el proceso de su formación está más relacionado con las estrellas recién nacidas y la formación de exoplanetas. No se han observado hasta unos dos mil millones de años después del Big Bang. Curiosamente, los PAH también son uno de los componentes químicos básicos de la vida.
Si no es HAP, ¿qué hay?
Curiosamente, las características detectadas por JWST en realidad alcanzaron un máximo de 226,3 nanómetros. Esto no es muy diferente de la medición a 217,5 nm y esto puede ser un error de medición. Sin embargo, también es muy posible que esta ligera diferencia de longitud de onda indique que la composición del polvo cósmico primitivo difiere solo ligeramente del polvo que vemos en épocas posteriores. Según Witstok, esto es bastante emocionante. “Este ligero cambio en la longitud de onda donde la absorción es más fuerte sugiere que podemos estar viendo una mezcla diferente de granos, como grafito o granos similares a diamantes”, dijo. “También podría ser producido potencialmente en escalas de tiempo cortas por estrellas Wolf-Rayet o eyecciones de supernovas”.
Todo esto está en desacuerdo con el estudio continuo de las primeras galaxias. Antes de JWST, los astrónomos tenían que obtener imágenes de muchas galaxias en el universo primitivo. Las observaciones repetidas han proporcionado suficiente información sobre estas estrellas tempranas y cómo la absorción de polvo afecta su luz. Esto, sin embargo, limitó las observaciones a las galaxias que habían estado formando estrellas y polvo durante mucho tiempo. No ha habido muchas oportunidades de observar galaxias y estrellas más jóvenes para determinar su producción de polvo. JWST hizo posible observar galaxias enanas individuales que existieron en los primeros mil millones de años del tiempo cósmico. Esto les da una ventana de tiempo para estudiar el origen del polvo cósmico, cuando el universo estaba realmente en su infancia.
Por supuesto, según Irene Shivaei, miembro del equipo, aún queda mucho trabajo por hacer. “Planeamos continuar trabajando con teóricos que modelan la producción y el crecimiento de polvo en las galaxias”, dijo Shivaei. “Esto arrojará luz sobre el origen del polvo y los elementos pesados en el universo primitivo”.