Encontradas en una región cerca del Campo Profundo del Hubble por el equipo del JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES), estas galaxias marcan un hito importante en el estudio del Universo temprano.

Estas galaxias se unen a una pequeña pero creciente población de galaxias de los primeros quinientos millones de años de la historia cósmica donde realmente podemos investigar las poblaciones estelares y los patrones distintivos de elementos químicos dentro de ellas, dijo el Dr. Francesco D’Eugenio del Instituto Kavli de Cosmología de la Universidad de Cambridge, uno de los miembros del equipo detrás del descubrimiento.

Debido a la expansión del Universo, la luz de galaxias distantes se estira a longitudes de onda más largas a medida que viaja, un efecto conocido como corrimiento al rojo. En estas galaxias, el efecto es extremo, estirándose por un factor de 15, y moviendo incluso la luz ultravioleta de las galaxias a longitudes de onda infrarrojas donde solo el JWST tiene la capacidad de verla.

La teoría moderna sostiene que las galaxias se desarrollan en regiones especiales donde la gravedad ha concentrado el gas cósmico y la materia oscura en grumos densos conocidos como ‘halos’. Estos halos evolucionaron rápidamente en el Universo temprano, fusionándose rápidamente en colecciones cada vez más masivas de materia. Este desarrollo rápido es la razón por la cual los astrónomos están tan ansiosos por encontrar galaxias aún más tempranas: cada pequeño incremento mueve nuestra visión a un período menos desarrollado, donde las galaxias luminosas son aún más distintivas e inusuales.

Las dos galaxias recién descubiertas han sido confirmadas espectroscópicamente. De acuerdo con la práctica estándar de nomenclatura de la colaboración, las galaxias ahora se conocen como JADES-GS-z14-0 y JADES-GS-z14-1, siendo la primera la más distante de las dos.

Los científicos utilizaron el espectrógrafo NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) del telescopio espacial James Webb de la NASA para obtener un espectro de la lejana galaxia JADES-GS-z14-0 con el fin de medir con precisión su desplazamiento al rojo y, por tanto, determinar su edad. El desplazamiento al rojo puede determinarse a partir de la localización de una longitud de onda crítica conocida como ruptura Lyman-alfa. Esta galaxia data de menos de 300 millones de años después del Big Bang.
Los científicos utilizaron el espectrógrafo NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) del telescopio espacial James Webb de la NASA para obtener un espectro de la lejana galaxia JADES-GS-z14-0 con el fin de medir con precisión su desplazamiento al rojo y, por tanto, determinar su edad. El desplazamiento al rojo puede determinarse a partir de la localización de una longitud de onda crítica conocida como ruptura Lyman-alfa. Esta galaxia data de menos de 300 millones de años después del Big Bang. Crédito: Joseph Olmsted (STScI) / NASA, ESA, CSA

Además de ser el nuevo poseedor del récord de distancia, JADES-GS-z14-0 es notable por su tamaño y brillo. El JWST mide la galaxia en más de 1600 años luz de diámetro. Muchas de las galaxias más luminosas producen la mayor parte de su luz a través de gas que cae en un agujero negro supermasivo, produciendo un cuásar, pero con este tamaño JADES-GS-z14-0 no puede ser esto. En cambio, los investigadores creen que la luz es producida por estrellas jóvenes.

La combinación de la alta luminosidad y el origen estelar hace que JADES-GS-z14-0 sea la evidencia más distintiva encontrada hasta ahora de la formación rápida de grandes galaxias masivas en el Universo temprano. Esta tendencia va en contra de las expectativas previas al JWST de las teorías de formación de galaxias. La evidencia de galaxias tempranas sorprendentemente vigorosas apareció incluso en las primeras imágenes del JWST y ha ido aumentando en los primeros dos años de la misión.

JADES-GS-z14-0 ahora se convierte en el arquetipo de este fenómeno, dijo el Dr. Stefano Carniani de la Scuola Normale Superiore en Pisa, autor principal del artículo del descubrimiento. Es asombroso que el Universo pueda crear una galaxia así en solo 300 millones de años.

A pesar de su luminosidad, JADES-GS-z14-0 fue un enigma para el equipo de JADES cuando la vieron por primera vez hace más de un año, ya que aparece lo suficientemente cerca en el cielo de una galaxia de primer plano que el equipo no podía estar seguro de que las dos no fueran vecinas. Pero en octubre de 2023, el equipo de JADES realizó imágenes aún más profundas: cinco días completos con la Cámara de Infrarrojo Cercano del JWST en solo un campo, para formar el “Campo de Orígenes de JADES”. Con el uso de filtros diseñados para aislar mejor las galaxias más tempranas, la confianza creció en que JADES-GS-z14-0 era realmente muy distante.

No podíamos ver ninguna forma plausible de explicar esta galaxia como siendo simplemente una vecina de la galaxia más cercana, dijo el Dr. Kevin Hainline, profesor de investigación en la Universidad de Arizona.

Afortunadamente, la galaxia está en una región donde el equipo había realizado imágenes ultra-profundas con el Instrumento de Infrarrojo Medio del JWST. La galaxia era lo suficientemente brillante como para ser detectada en luz de 7.7 micrones, con una intensidad mayor de la que predeciría la extrapolación desde longitudes de onda más bajas.

Estamos viendo emisión extra de átomos de hidrógeno y posiblemente incluso de oxígeno, como es común en galaxias formadoras de estrellas, pero aquí desplazadas a una longitud de onda sin precedentes, dijo Jakob Helton, estudiante de posgrado en la Universidad de Arizona y autor principal de un segundo artículo sobre este hallazgo.

Estos resultados combinados de imágenes convencieron al equipo de incluir la galaxia en lo que se planeó como la observación culminante de JADES, una campaña de 75 horas para realizar espectroscopia en galaxias tempranas y débiles. La espectroscopia confirmó sus esperanzas de que JADES-GS-z14-0 era realmente una galaxia récord y que la candidata más tenue, JADES-GS-z14-1, estaba casi tan lejos.

Más allá de la confirmación de la distancia, la espectroscopia permite una mayor comprensión de las propiedades de las dos galaxias. Siendo comparativamente brillante, JADES-GS-z14-0 permitirá un estudio detallado.

Podríamos haber detectado esta galaxia incluso si fuera 10 veces más tenue, lo que significa que podríamos ver otros ejemplos aún más tempranos en el Universo, probablemente en los primeros 200 millones de años, dice Brant Robertson, profesor de astronomía y astrofísica en la Universidad de California-Santa Cruz, y autor principal de un tercer artículo sobre el estudio del equipo sobre la evolución de esta población temprana de galaxias. El Universo temprano tiene mucho más que ofrecer.

Fuentes

University of Cambridge | Stefano Carniani, Kevin Hainline, et al., A shining cosmic dawn: spectroscopic confirmation of two luminous galaxies at z∼14, arXiv:2405.18485. arxiv.org/abs/2405.18485 | Jakob M. Helton, George H. Rieke, et al., JWST/MIRI photometric detection at 7.7 μm of the stellar continuum and nebular emission in a galaxy at z>14, arXiv:2405.18462. arxiv.org/abs/2405.18462 | Brant Robertson et al., Earliest Galaxies in the JADES Origins Field: Luminosity Function and Cosmic Star-Formation Rate Density 300 Myr after the Big Bang, arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2312.10033

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