JWST, por fin, responde a nuestras mayores preguntas cósmicas

Si quieres saber cómo es el Universo, todo lo que tienes que hacer es mirar. Cuanto mejores sean sus ojos, mejor verá, razón por la cual muchos de nuestros avances en astronomía se han superpuesto con avances y mejoras en nuestros telescopios ópticos. Los hemos construido progresivamente más grandes en tamaño, con telescopios de clase de 8-10 metros que actualmente lideran el mundo desde la tierra, y con telescopios de clase de 30 metros en camino. Hemos equipado estos telescopios con instrumentos mejores y más sensibles que aprovechan al máximo cada cantidad de luz que reúnen, aprovechando diferentes filtros de longitud de onda, espectroscopia y una variedad de otras técnicas avanzadas.

En tierra, hemos desarrollado sistemas de óptica adaptativa sin precedentes para "desenfocar" las distorsiones impuestas por la atmósfera y, en algunos casos, incluso hemos superado la atmósfera y llegado al espacio. Con mejores ojos, más se enfoca el Universo.

Pero hay un límite en lo que se puede hacer con los telescopios ópticos, y esos límites los establece el mismo Universo. A medida que el Universo se expande, la longitud de onda de la luz que viaja a través de él se estira, y este estiramiento se vuelve muy severo cuanto más lejos está el objeto. La luz ultravioleta se estira hacia el óptico y luego más allá: hacia el infrarrojo. Ahí es donde entra en juego el Telescopio Espacial James Webb (JWST). Con sus ojos infrarrojos y su posición lejana en el espacio, realmente está revelando el Universo como solo soñamos verlo, lleno de tremendos avances y sorpresas.

Desde la Tierra, estamos severamente limitados por el tipo de luz que se puede transmitir a través de la atmósfera. Podemos ver muy bien la luz óptica, pero solo pequeñas fracciones de las porciones ultravioleta e infrarroja cercana del espectro. Casi no podemos ver luz de rayos X o rayos gamma, y ​​casi ninguna luz de infrarrojo medio, infrarrojo lejano o microondas, antes de que las cosas se vuelvan claras en la radio una vez más. Esa es la gran ventaja del espacio: no solo elimina los efectos de desenfoque de la atmósfera de la Tierra, sino que algunas longitudes de onda de luz muy importantes son completamente inobservables desde el suelo.

Hubble proporcionó una gran cantidad de datos, no solo en longitudes de onda ópticas, sino también en longitudes de onda del infrarrojo cercano. La razón por la que el Hubble parece una "lata" de cerca es porque queremos que esté frío: que refleje la mayor cantidad posible de luz y calor que encuentra. La luz infrarroja es lo que experimentamos como calor, y sabemos que si las cosas se calientan lo suficiente, brillarán en luz visible: rojo, naranja, amarillo o incluso de blanco a azul si está lo suficientemente caliente. Incluso si no puede verlo brillar en la luz visible, los objetos como el telescopio espacial Hubble emiten cantidades sustanciales de luz en el infrarrojo. Como resultado, a pesar de los esfuerzos de reflexión que se han realizado con el Hubble, solo es capaz de observar alrededor de ~2 micras de longitud de onda antes de que el ruido térmico abrume los instrumentos.

Es por eso que JWST es tan notable en varios aspectos, al menos desde el punto de vista de un astrónomo.

Para probar esas longitudes de onda del infrarrojo medio, el instrumento que usa esos datos (MIRI: el instrumento de infrarrojo medio) debe enfriarse aún más; es el único sistema que se enfría activamente a bordo del JWST, hasta ~6-7 K. JWST, armado con estas capacidades, es capaz de ver galaxias que están demasiado distantes, demasiado débiles y cuya luz se ha estirado demasiado una longitud de onda por el Universo en expansión para ser visto por Hubble.

Pero no estaría claro qué tan bueno sería JWST, en relación con sus predecesores, hasta que lo miramos. La razón es porque lo estamos usando para sondear el Universo aún no observado: donde aún no tenemos datos. Claro, tenemos expectativas de lo que creemos que debería estar allí, pero el Universo ha estado lleno de sorpresas antes y preguntas como:

son todas preguntas que JWST sería capaz de responder por primera vez.

Hay cinco propuestas principales de primer año que buscaban responder estas preguntas al observar, en profundidad, regiones significativas del Universo extragaláctico. Dos de ellos, Panoramic y COSMOS-Web, aún no han publicado ningún resultado. Otros dos, GLASS y CEERS, han encontrado muchas galaxias ultradistantes, incluidos ejemplos de galaxias que superaron el récord anterior del Hubble de GN-z11: una galaxia cuya luz nos llegó apenas 400 millones de años después del Big Bang.

Pero una de las regiones del espacio más interesantes de todas viene por cortesía de la encuesta que nos dio el actual poseedor del récord cósmico de distancia (un récord que seguramente se romperá a fines de 2023): JADES. Representando el JWST Advanced Deep Extragalactic Survey, combina un total de 770 horas de imágenes NIRCam, MIRI y NIRSpec en un área total de 125 minutos de arco cuadrados: poco menos de una millonésima parte (0,0001%) del cielo nocturno total. Pero esa región del cielo incluía dos de las regiones fotografiadas más importantes de toda la historia: el Hubble Deep Field original y el Hubble Ultra y eXtreme Deep Fields.

Dentro de estas regiones del espacio, Hubble había identificado previamente algunas candidatas a galaxias ultradistantes: unas 40 candidatas que surgieron de los primeros 650 millones de años de la historia cósmica, incluidas unas 4 de los primeros 500 millones de años. El problema es que estos son solo candidatos a galaxias: identificamos candidatos a galaxias mirando su luz, pero la única forma de estar seguros de que estos candidatos a galaxias realmente son galaxias a las distancias reales a las que creemos que están es realizar espectroscopia: para dividir su luz en todas las diferentes longitudes de onda que la componen e identificar dónde aparecen ciertas características específicas. Es solo a través de la espectroscopia que podemos promover un candidato a galaxia al estado de "galaxia confirmada".

La ciencia subyacente es la siguiente. Cuando toma imágenes de una galaxia usando fotometría, la forma estándar de recolectar luz en un conjunto de rangos de longitud de onda, sabe cómo se distribuirá esa luz dependiendo de si esa galaxia está compuesta principalmente de estrellas jóvenes, una mezcla de estrellas jóvenes y viejas. , o principalmente estrellas más viejas. (En el Universo tardío, existen todos los tipos de galaxias, pero al principio, esperamos que las galaxias estén formadas principalmente por estrellas jóvenes). Por debajo de cierta longitud de onda, el límite ultravioleta donde los electrones hacen la transición al estado fundamental de un átomo, ya sabes. que no llegará ninguna luz, mientras que en longitudes de onda más largas, debería ver mucha luz.

Ese punto de transición es clave y se conoce como la "ruptura de Lyman" para las galaxias: donde ocurre la transición al estado n=1 del hidrógeno (si recuerdas la serie de Lyman). A medida que el Universo se expande, la longitud de onda de esa ruptura de Lyman se estira. Por lo tanto, para JWST, si no ve luz de longitudes de onda cortas, pero sí mucha luz de longitudes de onda más largas, tiene un excelente candidato a galaxia ultradistante.

Pero para asegurarse de que:

hay que hacer un seguimiento espectroscópico.

La fotometría es relativamente fácil de realizar; puede realizarlo para miles de objetos a la vez con los mismos conjuntos de observaciones. La espectroscopia, por otro lado, es costosa: debe observar durante mucho más tiempo, por objeto, para obtener la cantidad de luz necesaria para determinar cuánta luz hay en cada longitud de onda diferente.

Sin embargo, la recompensa es tremenda: en lugar de estimar las propiedades clave de su galaxia, como qué tan lejos está, cuánto se estira su luz y qué tan fuerte es su hidrógeno, oxígeno y otras firmas elementales, puede medirlas directamente.

Eso es lo que es tan notable y poderoso acerca de JADES y otras encuestas como las realizadas con JWST: puede ver una gran área del cielo con un instrumento como NIRCam, obteniendo estimaciones fotométricas de las propiedades de una galaxia, con relativa facilidad. A continuación, puede seleccionar los objetos más interesantes que haya identificado, a través de la fotometría, para realizar observaciones espectroscópicas de seguimiento, utilizando el instrumento NIRSpec, por ejemplo. En general, sabemos cómo se ve hoy nuestro Universo, que actualmente tiene 13.800 millones de años. Pero esos primeros cientos de millones de años, ese primer 5% de nuestra historia cósmica, sigue siendo el gran signo de interrogación para el que esperamos que JWST pueda brindarnos respuestas.

Bueno, JADES acaba de anunciar, en la 242ª reunión de la Sociedad Astronómica Estadounidense, algunas de las ciencias más notables que podríamos haber esperado. En primer lugar, a lo largo de sus 125 minutos de arco cuadrados de área de observación, identificaron la friolera de 717 candidatos a galaxias del primer 5% de nuestra historia cósmica: una mejora increíble sobre las "aproximadamente 40" que el Hubble había visto anteriormente. De hecho, de estos 717 candidatos que fueron identificados fotométricamente, un sorprendente 93% de ellos nunca había sido visto antes, ni por el Hubble ni por ningún otro observatorio, lo que nos indica que solo se han revelado debido a las capacidades sin precedentes de el observatorio JWST.

Pero la historia se pone aún mejor. De estas 717 candidatas a galaxias, se realizó un seguimiento espectroscópico de 42 de ellas. Cuando llegaron los espectros, se confirmó que 41 de los 42 estaban en o casi en la combinación de corrimiento al rojo/distancia sugerida por la fotometría. Aún más notable fue esto: el que no se confirmó resultó ser en realidad dos objetos uno encima del otro: uno cerca y otro mucho más lejos. Cuando se restó la luz del objeto cercano ("solo" a unos 11 mil millones de años luz de distancia), el objeto 42, el más lejano, también estaba en línea con los datos fotométricos. 42 espectros recogidos, 42 galaxias ultradistantes confirmadas. Es difícil hacerlo mejor.

Y eso es solo el comienzo. La galaxia más distante confirmada espectroscópicamente se conoce como JADES-GS-z13-0, y su luz nos llega apenas 320 millones de años después del inicio del Big Bang caliente. Solo dentro del campo de visión de JADES, hay 17 candidatos a galaxias adicionales, todos los cuales aún no tienen espectros, que tienen distancias inferidas fotométricamente mayores que el poseedor del récord cósmico actual. No solo eso, sino que COSMOS-Web, cuyos datos aún no se han publicado (y aproximadamente el 50% de los cuales aún no se han tomado a partir de junio de 2023), inspeccionará un área mucho más grande en el cielo de lo que JADES jamás hará.

Pero debido a los efectos combinados del tamaño sin precedentes y el poder de resolución de JWST, podemos aprender mucho sobre el Universo al observar estas galaxias; no son simplemente "puntos" o "manchas" para el JWST como lo fueron para un observatorio como el Hubble.

Estas galaxias revelan grandes estallidos de formación estelar dentro de ellas. Las estrellas calientes y masivas que se producen durante estos estallidos contribuyen enormemente al proceso de reionización cósmica: los átomos neutros del medio intergaláctico se reionizan gracias a los fotones ultravioleta. Las líneas de emisión dentro de estas galaxias son extremadamente fuertes. Y finalmente, estas galaxias vienen en una enorme variedad de tamaños, desde unos pocos cientos de años luz de ancho hasta decenas de miles de años luz de ancho, lo que demuestra que muchos de los objetos en nuestro Universo crecieron rápidamente: quizás más rápido que muchos astrónomos esperaban.

Hemos llegado lo suficientemente lejos como para reunir los grandes rasgos de cómo creció nuestro Universo, y parece una historia que conducirá a décadas de investigación adicional para unir todas las piezas de manera sólida.

Toda esta ciencia JWST que estamos incorporando a nuestro conjunto de conocimientos tiene, a pesar de todo, menos de un año calendario completo. A medida que sigan llegando más datos del telescopio y que los diferentes equipos que utilizan diferentes esquemas de observación publiquen sus resultados, aprenderemos a usar JWST de manera aún más eficiente y eficaz. Es ese caso glorioso en el que cada vez que aprendemos algo nuevo, toda la comunidad se beneficia. Con una vida útil esperada que lo llevará hasta bien entrada la década de 2040, tenemos décadas de nueva ciencia, nuevos descubrimientos y una nueva comprensión de cómo creció el Universo para esperar con gran optimismo.