Galaxy JADES-GS-z6 en GOODS-S: JADES (imagen NIRCam). Crédito: ESA/Webb, NASA, ESA, CSA
Por primera vez, el telescopio espacial James Webb ha observado la firma química de granos de polvo ricos en carbono en el universo primitivo.
Se han observado firmas de observación similares en el universo mucho más reciente y se han atribuido a moléculas de carbono complejas conocidas como hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP). Sin embargo, no parece probable que los HAP se desarrollaran en los primeros mil millones de años del espacio-tiempo.
El equipo internacional, que incluye a científicos de la Universidad de Cambridge, dice que Webb pudo haber observado un tipo diferente de molécula a base de carbono: posiblemente diminutos granos de grafito o similares a diamantes producidos por las primeras estrellas o supernovas. Sus resultados, que sugieren que las galaxias jóvenes en el universo primitivo estaban creciendo mucho más rápido de lo previsto, se informaron en la revista. Naturaleza.
Los espacios aparentemente vacíos de nuestro universo a menudo no lo están en absoluto, sino que están llenos de nubes de gas y polvo cósmico. Este polvo consiste en granos de varios tamaños y composiciones que se forman y expulsan al espacio de varias maneras, incluidas las explosiones de supernova.
Este asunto es fundamental para la evolución del universo, ya que las nubes de polvo finalmente forman los lugares de nacimiento de nuevas estrellas y planetas. Sin embargo, el polvo absorbe la luz de las estrellas en ciertas longitudes de onda, lo que dificulta la observación de ciertas áreas del espacio.
La ventaja es que ciertas moléculas absorberán o interactuarán constantemente con ciertas longitudes de onda de luz. Esto significa que los astrónomos pueden obtener información sobre la composición del polvo cósmico al observar las longitudes de onda de la luz que bloquea.
Un equipo de astrónomos dirigido por Cambridge usó esta técnica, combinada con la notable sensibilidad de Webb, para detectar la presencia de granos de polvo ricos en carbono solo mil millones de años después del nacimiento del universo.
“Los granos de polvo ricos en carbono pueden ser particularmente efectivos para absorber la luz ultravioleta de alrededor de 217,5 nanómetros, que observamos directamente por primera vez en los espectros de las galaxias muy tempranas”, dijo el autor principal, el Dr. Joris Witstok, del Instituto Kavli de Cosmología de Cambridge.
Esta característica de 217,5 nanómetros se ha observado previamente en el universo mucho más reciente y local, incluida nuestra propia galaxia, la Vía Láctea, y se ha atribuido a dos tipos diferentes de moléculas de carbono: hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP) o nanopartículas de grano de grafito.
Según la mayoría de los modelos, los PAH deberían tardar varios cientos de millones de años en formarse, por lo que sería sorprendente que el equipo observara una firma química de moléculas que aún no deberían haberse formado. Sin embargo, según los investigadores, este resultado es la firma directa más temprana y distante de este grano de polvo rico en carbono.
La respuesta puede estar en los detalles de lo que se observó. La característica observada por el equipo alcanzó un máximo de 226,3 nanómetros en lugar de la longitud de onda de 217,5 nanómetros asociada con los HAP y los granos finos de grafito. Una discrepancia de menos de diez nanómetros puede deberse a un error de medición. También podría indicar una diferencia en la composición de la mezcla de polvo cósmico del universo primitivo detectado por el equipo.
“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 Witstok, quien también es investigador postdoctoral en Sidney Sussex College. “También podría ser producido potencialmente en escalas de tiempo cortas por estrellas Wolf-Rayet o material expulsado por supernova”.
Los modelos habían sugerido previamente que los nanodiamantes podrían formarse en el material expulsado por las supernovas; y las estrellas Wolf-Rayet enormes y calientes que viven rápido y mueren jóvenes darían tiempo suficiente para que generaciones de estrellas nacieran, vivieran y murieran para redistribuir granos ricos en carbono en el polvo cósmico circundante en menos de mil millones de años.
Sin embargo, sigue siendo un desafío explicar completamente estos resultados con la comprensión existente de la formación temprana de polvo cósmico. Estos resultados se utilizarán para desarrollar modelos mejorados y futuras observaciones.
Con la llegada de Webb, los astrónomos ahora pueden realizar observaciones de luz detalladas de galaxias enanas individuales observadas 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 en la sensibilidad de la espectroscopia de infrarrojo cercano proporcionada por Webb, específicamente su espectrógrafo de infrarrojo cercano (NIRSpec)”, dijo el coautor, el profesor Roberto Maiolino, que trabaja en el Laboratorio Cavendish y el Instituto Kavli. de Cosmología. “El aumento de la sensibilidad proporcionado por Webb está en el espectro visible equivalente a una actualización instantánea de un telescopio galileano de 37 milímetros al Very Large Telescope de 8 metros, uno de los telescopios ópticos más potentes de la actualidad”.
El equipo planea estudiar más a fondo los datos y este resultado. “Planeamos trabajar con teóricos que modelen la producción y el crecimiento de polvo en las galaxias”, dijo la coautora Irene Shivaei 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 JWST, o JADES. Este programa facilitó 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 ahora.
“He estudiado galaxias en los primeros mil millones de años del tiempo cósmico a lo largo de mi carrera, y nunca esperábamos encontrar una firma tan clara de polvo cósmico en galaxias tan distantes”, dijo el coautor Dr. Renske Smit de la Universidad John Moores de Liverpool. “Los datos ultra profundos de JWST nos muestran que se pueden formar granos de polvo similar al diamante en los sistemas más primordiales. Esto anula por completo los modelos de formación de polvo y abre una forma completamente nueva de estudiar el enriquecimiento químico de las primeras galaxias”.
Proporcionado por la Universidad de Cambridge