Galaxias formadas en los primeros tiempos

El telescopio espacial James Webb está registrando las primeras galaxias que se formaron tras el Big Bang.

Las primeras imágenes tomadas por el James Webb (JWST) que se publicaron el pasado verano incluían casos como los de las galaxias más lejanas jamás observadas. Esas observaciones proporcionaron indicios de galaxias con corrimientos al rojo de z=12 y más, lo que significaba que se habrían formado dentro de los 400 millones de años posteriores al Big Bang. Pero muchos científicos vieron esos hallazgos con escepticismo debido a que, entonces, los instrumentos del Webb no estaban del todo bien calibrados y a que esos resultados estaban basados solo en la fotometría, así que pusieron en duda esos hallazgos.

Ahora, se publica en el repositorio ArXiv unos preprints en los que se muestran galaxias observadas con el Webb que parecen estar a esas distancias tan extremas para las cuales no hay dudas de calibración. Estas galaxias con estos corrimientos al rojo se formaron dentro de los primeros 400 millones de años tras el Big Bang y las vemos tal y como era entonces. El estudio ha sido realizado por investigadores del Estudio Extragaláctico Profundo Avanzado (JADES) del JWST

El hallazgo no está del todo confirmado porque las distancias inferidas o, más en concreto, sus corrimientos al rojo, se han obtenido a partir del uso de unos pocos filtros, una especie de espectrometría de baja precisión, y no por espectrometría estricta. Todavía es posible que galaxias más cercanas se hagan pasar por galaxias muy distantes por diversas razones, sobre todo si no tenemos espectros precisos que distingan esos posibles casos.

Los astrónomos miden las distancias a los objetos cósmicos usando el corrimiento al rojo que se produce debido a la expansión del Universo y es una medida de la velocidad de recesión de las galaxias. A más corrimiento al rojo, es decir, si las líneas espectrales de ciertos elementos químicos aparecen más hacia el color rojo del espectro visible de lo normal que se ve en laboratorio, más lejana es la galaxia, mayor es su velocidad de recesión y más atrás en el tiempo vemos su imagen. Es decir, las vemos como eran hace miles de millones de años, por lo que son una ventana al pasado a través de la cual vemos las primeras etapas del Universo.

El corrimiento al rojo se simboliza por la letra z y se le asigna un valor mayor que 1 que no tiene dimensiones (no tiene unidades). Así, un z=0 significa que no tiene corrimiento al rojo y está en el universo local en donde estamos nosotros. Un z=1 significa que la luz fue emitida cuando el universo tenía la mitad de la edad que tiene ahora. O, dicho de otra forma, que la galaxia que tiene ese corrimiento y la nuestra se encontraban, en el momento en que fue emitida la luz, a la mitad de distancia de lo que están hoy en día. Y así sucesivamente.

Cómo se traduce z a distancia dependerá del modelo cosmológico que usemos y del valor de ciertos parámetros, como el parámetro de Hubble. Además, el Universo ha estado expandiéndose desde que esa luz se emitió, por lo que ese objeto estará ahora aún más lejos. Pero si uno no quiere pillarse los dedos no dice la distancia, sino simplemente da valor de z. En este estudios tenemos casos de z=12, lo que significa que son, efectivamente, muy antiguas.

En concreto se han confirmado los desplazamientos hacia el rojo de cuatro galaxias extremadamente distantes. Van desde alrededor de z=10,4 a z=13,2. Eso significa que se formaron entre 325 millones y 450 millones de años tras del Big Bang. El récord anterior para el corrimiento al rojo más alto confirmado fue de aproximadamente z=11. Las observaciones necesitaron de 28 horas durante tres días y cubrieron 250 galaxias débiles en total.

Las indicaciones preliminares de esas primeras observaciones habían sugerido que estas galaxias candidatas podrían ser más masivas y abundantes de lo que se pensaba anteriormente. Lo malo es que, sin la confirmación espectroscópica precisa de sus distancias para limitar sus brillos intrínsecos, las propiedades ahora inferidas siguen siendo indeterminadas.

A partir de los datos obtenidos ahora y del uso de modelos de población estelar, los investigadores implicados encontraron que las galaxias contienen típicamente cien millones de masas solares en estrellas en poblaciones estelares que tienen menos de cien millones de años. Las tasas de formación de estrellas y los tamaños compactos sugieren densidades superficiales de tasa de formación de estrellas elevadas, un indicador clave de sus vías de formación.

Las propiedades de estas galaxias distantes proporcionan las condiciones iniciales y permiten comprender la formación temprana de galaxias y la reionización cósmica que se dio cuando las primeras estrellas empezaron a emitir luz. En conjunto, estas mediciones muestran que las primeras galaxias que contribuyeron a la reionización cósmica se formaron rápidamente y con intensos campos de radiación interna.

Se espera confirmar aún mejor el corrimiento al rojo de estas galaxias distantes en el futuro cercano. Esto nos ayudará a comprender mejor los primeros días de formación de galaxias y cómo las galaxias más distantes difieren de las de nuestro vecindario cósmico en el universo local. Ya se planea otro conjunto de observaciones para 2023.