Utilizando el Telescopio Espacial James Webb (JWST), los astrónomos han descubierto cúmulos de estrellas en el arco de «gemas cósmicas» que existieron sólo 460 millones de años después del Big Bang. Es el primer descubrimiento de cúmulos de estrellas en una galaxia naciente, como lo era cuando el universo de 13.800 millones de años tenía menos de 500 millones de años.
El Arco de las Gemas Cósmicas, descubierto originalmente por el Telescopio Espacial Hubble y designado oficialmente SPT0615-JD1, es una galaxia infantil con lentes gravitacionales ubicada aproximadamente a 13,3 mil millones de años luz de la Tierra. Esto significa que la luz de esta galaxia, vista por JWST, ha viajado hacia la Tierra durante aproximadamente el 97% de la vida del universo.
El equipo internacional de astrónomos detrás de este descubrimiento descubrió cinco cúmulos estelares masivos jóvenes en el Arco de las Gemas Cósmicas. Estos cúmulos existieron en una época en la que las galaxias jóvenes experimentaban intensos estallidos de formación estelar y emitían enormes cantidades de luz ultravioleta. Esta radiación podría ser responsable de desencadenar una de las dos grandes fases de la evolución del universo: la época de la reionización cósmica.
El estudio de estos cúmulos de cinco estrellas podría enseñar mucho a los astrónomos sobre este primer período del cosmos.
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«La sorpresa y el asombro fueron increíbles cuando abrimos las imágenes del JWST por primera vez», dijo Angela Adamo, de la Universidad de Estocolmo y del Centro Oskar Klein en Suecia, y líder del equipo. dijo en un comunicado. «Vimos una pequeña cadena de puntos brillantes reflejándose de un lado a otro: ¡estas joyas cósmicas son cúmulos de estrellas! ¡Sin el JWST, no hubiéramos sabido que estábamos observando cúmulos de estrellas en una galaxia tan joven!»
Los cúmulos de estrellas recientemente detectados en el arco de Cosmic Gems son notables por su naturaleza masiva y densa. La densidad de los cúmulos de cinco estrellas es considerablemente mayor que la de los cúmulos de estrellas cercanos.
Una mano amiga de Einstein
La época de la reionización es muy importante porque fue cuando las primeras fuentes de luz del cosmos (las primeras galaxias, estrellas y quásares supermasivos impulsados por agujeros negros) proporcionaron la energía que separaba los electrones del hidrógeno neutro que llenaba el universo. .
Los cúmulos de estrellas recién descubiertos están ubicados en una región muy pequeña de su galaxia, pero son responsables de la mayor parte de la luz ultravioleta proveniente de esa galaxia, lo que significa que cúmulos como estos podrían haber sido los principales impulsores de la reionización.
Al estudiar la reionización, los científicos pueden aprender más sobre los procesos que formaron estructuras a gran escala en el universo. Esto puede revelar cómo la distribución notablemente suave de la materia en los primeros tiempos cósmicos dio paso al universo altamente estructurado de galaxias (y cúmulos de galaxias) que los astrónomos ven en épocas posteriores del universo.
En concreto, estos primeros cinco cúmulos de estrellas pueden mostrar dónde se formaron las estrellas y cómo se distribuyeron durante la infancia del cosmos. Según el equipo de estudio, esto proporciona una oportunidad única para estudiar la formación de estrellas, así como el funcionamiento interno de las galaxias nacientes desde una distancia sin precedentes.
«La increíble sensibilidad y resolución angular del JWST en longitudes de onda del infrarrojo cercano, combinadas con las lentes gravitacionales proporcionadas por el enorme cúmulo de galaxias en primer plano, hicieron posible este descubrimiento», dijo el investigador Larry Bradley, director del programa de observación que capturó estos datos. , en el comunicado de prensa. . «Ningún otro telescopio podría haber hecho este descubrimiento».
Para ver objetos tan distantes tal como existían en el universo primitivo, JWST utiliza un principio de la teoría de la gravedad de Einstein de 1915: la relatividad general.
La relatividad general sugiere que los objetos con masa hacen que el tejido mismo del espacio y el tiempo se deforme, uniéndolos en una entidad de cuatro dimensiones llamada «espacio-tiempo». Cuanta más masa tiene un objeto, más se distorsiona el espacio-tiempo.
Cuando la luz de las fuentes de fondo excede esta distorsión, su trayectoria se vuelve curva. Cuanto más se acerca la luz al objeto distorsionado, más se curva su trayectoria. Como resultado, la luz de un solo objeto puede llegar a un observador, como el JWST, más de una vez y en diferentes momentos.
Esto significa que las fuentes de luz pueden aparecer en múltiples ubicaciones en la misma imagen, cambiar sus posiciones a posiciones aparentes o, lo que es más útil, amplificar su luz. Este último fenómeno se denomina «lente gravitacional», y el cuerpo entre un objeto distante del fondo y la Tierra se denomina «objeto lente».
En este caso, el objeto lente es un cúmulo de galaxias lente llamado SPT-CL J0615-5746, y los objetos de fondo son las Gemas Cósmicas, sus cúmulos de estrellas y dos galaxias lentes distantes.
“¡Lo especial del arco de Cosmic Gems es que gracias a las lentes gravitacionales, podemos resolver la galaxia en una escala de pársec!” dijo Adamo.
¿Cómo se forman los cúmulos globulares?
Un prometedor estudio de seguimiento de esta observación del JWST de los primeros cúmulos de estrellas se refiere a cómo se forman las disposiciones de las estrellas, llamadas «cúmulos globulares». Como se ve en nuestra galaxia, la Vía Láctea, los cúmulos globulares son reliquias antiguas de intensos estallidos de formación estelar en el universo temprano.
Los científicos no están seguros de cómo se forman estos conglomerados esféricos de estrellas fuertemente unidas gravitacionalmente, pero podría ser que los cúmulos de estrellas jóvenes, masivos y densos del arco de las Gemas Cósmicas sean las primeras etapas de la formación de estrellas. Esto significa que podrían proporcionar una ventana increíblemente útil a las primeras etapas del nacimiento de los cúmulos globulares.
Estos cinco cúmulos de estrellas también podrían ayudar a comprender otros aspectos de la evolución cósmica.
«Las altas densidades estelares encontradas en los cúmulos nos proporcionan la primera indicación de los procesos que tienen lugar dentro de sus cúmulos, proporcionando así nuevos conocimientos sobre la posible formación de estrellas muy masivas y semillas de agujeros negros, ambos importantes para la evolución de las galaxias. ”, dijo Adamo. dicho.
El estudio del arco de las Gemas Cósmicas continuará, y el equipo detrás de esta investigación ya planea observar esta primera galaxia con los instrumentos del Espectrógrafo de Infrarrojo Cercano (NIRSpec) y del Instrumento de Infrarrojo Medio (MIRI) del JWST durante el Ciclo 3 de los 10 mil millones de dólares. Operaciones del telescopio espacial. .
«Las observaciones de NIRSpec nos permitirán confirmar el corrimiento al rojo de la galaxia y estudiar la emisión ultravioleta de los cúmulos de estrellas, que se utilizará para estudiar sus propiedades físicas con más detalle», dijo Bradley. «Las observaciones MIRI nos permitirán estudiar las propiedades del gas ionizado».
Estas observaciones espectroscópicas deberían revelar la intensidad de la formación estelar en los sitios activos de esta galaxia naciente.
Los astrónomos detrás de este estudio también pretenden estudiar otras galaxias para buscar cúmulos de estrellas similares a estos cinco.
«Estoy convencido de que hay otros sistemas como este esperando ser descubiertos en el universo temprano, lo que nos permitirá profundizar nuestra comprensión de las galaxias primitivas», dijo el miembro del equipo Eros Vanzella del Instituto Nacional de Astrofísica (INAF).
La investigación del equipo fue publicada el lunes 24 de junio en la revista Nature.
