Una de las preguntas más importantes en astronomía es: ¿Cómo se formaron las primeras estrellas y galaxias? El telescopio espacial James Webb (JWST) de la NASA ya está ofreciendo nuevos conocimientos relacionados con esta pregunta. Uno de los programas más grandes en el primer año de observaciones científicas de Webb es el Sondeo Avanzado Extragaláctico Profundo con el JWST (JADES), el cual dedicará unos 32 días de tiempo de telescopio para descubrir y caracterizar galaxias muy lejanas y tenues. Aunque aún están llegando los datos, JADES ya ha descubierto cientos de galaxias que existían cuando el universo tenía menos de 600 millones de años. El equipo también ha identificado galaxias que brillan con una multitud de estrellas jóvenes y calientes.

“Con JADES, queremos responder a muchas preguntas, por ejemplo: ¿Cómo se agruparon las primeras galaxias? ¿Qué tan rápido se formaron las estrellas? ¿Por qué algunas galaxias dejan de formar estrellas?”, dijo Marcia Rieke, investigadora de la Universidad de Arizona en Tucson y codirectora del programa JADES.

Fábricas de Estrellas

Ryan Endsley, de la Universidad de Texas en Austin, dirigió una investigación sobre galaxias que existieron entre 500 y 850 millones de años después del Big Bang. Este fue un momento crucial conocido como la época de la reionización. Durante cientos de millones de años después del Big Bang, el universo se llenó de una niebla gaseosa que lo hizo opaco a la luz energética. Mil millones de años después del Big Bang, la niebla se había disipado y el universo se volvió transparente, en un proceso conocido como reionización. Los científicos han debatido si los agujeros negros supermasivos y activos o las galaxias llenas de estrellas jóvenes y calientes fueron la causa principal de la reionización.

Como parte del programa JADES, Endsley y sus colegas estudiaron estas galaxias con el instrumento espectrógrafo del infrarrojo cercano (NIRSpec, por su acrónimo en inglés) de Webb para buscar las huellas de formación de estrellas, y las encontraron en abundancia. “Casi todas las galaxias que estamos encontrando muestran estas huellas de líneas de emisión inusualmente fuertes que indican una intensa formación estelar reciente. Estas primeras galaxias eran muy buenas para crear estrellas calientes y masivas”, dijo Endsley.

Estas estrellas brillantes y masivas emitieron torrentes de luz ultravioleta, la cual transformó el gas circundante que era opaco y lo volvió transparente al ionizar los átomos, eliminando los electrones de sus núcleos. Dado que estas primeras galaxias tenían una población tan grande de estrellas masivas y calientes, es posible que hayan sido el principal impulsor del proceso de reionización. La reunión posterior de los electrones y los núcleos produce estas fuertes líneas de emisión características.

Endsley y sus colegas también hallaron evidencia de que estas galaxias jóvenes pasaron por períodos de rápida formación de estrellas, intercalados con períodos tranquilos en los que se formaban menos estrellas. Esta actividad esporádica pudo haber ocurrido cuando las galaxias capturaban aglomeraciones de la materia prima gaseosa necesaria para formar estrellas. Otra posibilidad, dado que las estrellas masivas explotan rápidamente, es que estas habrían inyectado energía en su ambiente circundante periódicamente, evitando que el gas se condensara para formar nuevas estrellas.

El Universo Primitivo Revelado

Otro elemento del programa JADES está relacionado con la búsqueda de las primeras galaxias que existieron cuando el universo tenía menos de 400 millones de años. El estudio de estas galaxias permite a los astrónomos explorar cómo la formación de estrellas durante los primeros años después del Big Bang era diferente de lo que se observa en la actualidad. La luz de las galaxias lejanas se estira a longitudes de onda más largas y colores más rojos debido a la expansión del universo: este es un fenómeno llamado desplazamiento al rojo. Al medir el desplazamiento al rojo de una galaxia, los astrónomos pueden saber qué tan lejos está y, por lo tanto, cuándo existió en el universo primitivo. Antes de Webb, solo se podían observar unas pocas decenas de galaxias por encima de un desplazamiento al rojo de 8, cuando el universo tenía menos de 650 millones de años, pero ahora JADES ha descubierto casi mil de estas galaxias extremadamente distantes.

El criterio de referencia para determinar el desplazamiento al rojo consiste en observar el espectro de una galaxia, el cual mide su brillo en una miríada de longitudes de onda con muy poca distancia entre sí. Pero se puede determinar una buena aproximación si se obtienen fotos de una galaxia utilizando filtros que cubren una estrecha banda de colores para obtener un puñado de medidas del brillo. De esta manera, los investigadores pueden determinar estimaciones de la distancia de muchos miles de galaxias a la vez.

Kevin Hainline, de la Universidad de Arizona en Tucson, y sus colegas utilizaron el instrumento cámara de infrarrojo cercano (NIRCam, por su acrónimo en inglés) de Webb para obtener estas medidas, llamadas desplazamientos fotométricos al rojo, e identificaron más de 700 galaxias candidatas que existían cuando el universo tenía entre 370 millones y 650 millones de años. La gran cantidad de estas galaxias estaba mucho más allá de las predicciones que se hacían para estas observaciones antes del lanzamiento de Webb. La exquisita resolución y sensibilidad de este observatorio están permitiendo a los astrónomos obtener una vista de estas galaxias lejanas mejor que nunca antes.

“Anteriormente, las primeras galaxias que podíamos observar se veían como pequeñas manchas. Y, sin embargo, esas manchas representan millones o incluso miles de millones de estrellas en los inicios del universo”, dijo Hainline. “Ahora podemos ver que algunas de ellas son en realidad objetos estirados que tienen una estructura visible. Podemos ver el nacimiento de agrupaciones de estrellas apenas unos pocos cientos de millones de años después del comienzo de los tiempos”.

“Estamos descubriendo que la formación de estrellas en el universo primitivo es mucho más complicada de lo que pensábamos”, dijo Rieke.