Descoberta la segona galàxia més llunyana gràcies al telescopi espacial James Webb

Les galàxies segona i quarta més distants mai observades han estat descobertes en una regió de l’espai coneguda com Cúmul de Pandora, o Abell 2744, utilitzant dades del telescopi espacial James Webb (JWST) de la NASA, segons publiquen els investigadors en el 'Astrophysical Journal Letters'.

A partir d’una imatge de camp profund de la zona, un equip internacional dirigit per investigadors de Penn State, als Estats Units, amb participació d’Israel, França, els Països Baixos, el Japó i Mèxic, ha confirmat la distància d’aquestes antigues galàxies i va inferir les seues propietats utilitzant nous dades espectroscòpiques -informació sobre la llum emesa a través de l’espectre electromagnètic- del JWST.

A gairebé 33.000 milions d’anys llum de distància, aquestes galàxies increïblement distants permeten comprendre com van poder formar-se les primeres galàxies.

A diferència d’altres galàxies confirmades a aquesta distància, que apareixen en les imatges com punts rojos, les noves galàxies són més grans i semblen un cacauet i una bola esponjosa, segons els investigadors.

"Se sap molt poc sobre l’Univers primitiu, i l’única manera de conèixer aquella època i posar a prova les nostres teories sobre la formació i el creixement de les primeres galàxies és amb aquestes galàxies tan distants", explica Bingjie Wang, primer autor de l’estudi, becari postdoctoral de la Facultat de Ciències Eberly de la Universitat Estatal de Pennsilvània i membre de l’equip UNCOVER (Ultradeep NIRSpec and NIRCam ObserVations before the Epoch of Reionization) del JWST que ha dut a terme la investigació.

"Abans de la nostra anàlisi, només coneixíem tres galàxies confirmades entorn d’aquesta distància extrema --prossegueix-. Estudiar aquestes noves galàxies i les seues propietats ha revelat la diversitat de galàxies en l’univers primitiu i quan queda per aprendre".

Atès que la llum d’aquestes galàxies va haver de viatjar durant tant temps per arribar a la Terra, proporciona una finestra al passat. L’equip d’investigadors estima que la llum detectada pel JWST va ser emesa per les dos galàxies quan l’univers tenia uns 330 milions d’anys i va viatjar uns 13.400 milions d’anys llum fins arribar al JWST.

Tanmateix, segons els investigadors, les galàxies es troben actualment més a prop de la Terra, a uns 33.000 milions d’anys llum, a causa de l’expansió de l’univers durant aquest temps.

"La llum d’aquestes galàxies és antiga, unes tres vegades més antiga que la Terra --explica Joel Leja, professor adjunt d’astronomia i astrofísica en Penn State i membre d’UNCOVER--. Aquestes galàxies primitives són com fars que emeten llum a través del finíssim gas d’hidrogen que formava l’univers primitiu. Només a través de la seua llum podem començar a comprendre la física exòtica que governava la galàxia a prop de l’alba còsmica".

Les dos galàxies són considerablement més grans que les tres galàxies localitzades anteriorment a aquestes distàncies extremes. Una d’elles és almenys sis vegades més gran, amb uns 2.000 anys llum de diàmetre. A tall de comparació, la Vía Láctea té aproximadament 100.000 anys llum de diàmetre, però, segons Wang, es creu que l’univers primitiu estava molt comprimit, pel que és sorprenent que la galàxia sigui tan gran.

"Les galàxies descobertes anteriorment a aquestes distàncies són fonts puntuals: apareixen com un punt en les nostres imatges --explica Wang--, però una de les nostres apareix allargada, gairebé com un cacauet, i l’altra sembla una bola esponjosa.

Segons indica, "no està clar si la diferència de mida es deu a com es van formar les estrelles o al que els va passar després de formar-se, però la diversitat en les propietats de les galàxies és realment interessant. S’espera que aquestes primeres galàxies s’hagin format a partir de materials similars, però ja estan mostrant signes de ser molt diferents entre si", afegeix.

Les dos galàxies es trobaven entre les 60.000 fonts de llum del Cúmul de Pandora detectades en una de les primeres imatges de camp profund de JWST preses durant 2022, el seu primer any d’operacions científiques. Aquesta regió de l’espai va ser seleccionada en part perquè es troba darrere de diversos cúmuls de galàxies que creen un efecte d’augment natural anomenat lent gravitacional.

L’atracció gravitatòria de la massa combinada dels cúmuls deforma l’espai al seu voltant, enfocant i magnificant qualsevol llum que passi a prop i proporcionant una vista ampliada darrere dels cúmuls.

En qüestió de mesos, l’equip d’UNCOVER va reduir les 60.000 fonts de llum a 700 candidates per a un estudi posterior, vuit de les quals pensaven que podrien ser entre les primeres galàxies. A continuació, JWST va apuntar de nou al Cúmul de Pandora, registrant els espectres de les candidates, una espècie d’empremta dactilar que detalla la quantitat de llum emesa en cada longitud d’ona.

"Diversos equips diferents estan utilitzant diferents enfocaments per buscar aquestes galàxies antigues, i cada un té els seus punts forts i febles --subratlla Leja-. El fet que estiguem apuntant a aquesta lent d’augment gegant en l’espai ens dona una finestra increïblement profunda, però és una finestra molt petita, així que estàvem tirant els daus."

Segons explica, "alguns dels candidats no van ser concloents, i almenys un va ser un cas d’identitat equivocada: era una mica molt més proper que imitava a una galàxia llunyana. Però vam tenir sort, i dos van resultar ser aquestes galàxies antigues. És increïble", postil·la.

Els investigadors també van utilitzar models detallats per inferir les propietats d’aquestes galàxies primitives quan emetien la llum detectada pel JWST. Com esperaven, les dos galàxies eren joves, tenien pocs metalls en la seua composició i estaven creixent ràpidament i formant estrelles activament.

"Els primers elements es van forjar en els nuclis de les primeres estrelles mitjançant el procés de fusió --explica Leja-. Té sentit que aquestes primeres galàxies no tinguin elements pesats, com metalls, perquè van ser algunes de les primeres fàbriques en construir aquests elements pesats. I, per descomptat, haurien de ser joves i amb formació estel·lar per ser les primeres galàxies, però confirmar aquestes propietats és una important prova bàsica dels nostres models i ajuda a confirmar tot el paradigma de la teoria del Big Bang", afegeix.

Els investigadors assenyalen que, juntament amb la lent gravitatòria, els potents instruments infrarojos del JWST haurien de ser capaços de detectar galàxies a una distància encara més llunyana, si és que existeixen.

"Teníem una finestra molt petita en aquesta regió, i no observem res més enllà d’aquestes dos galàxies, malgrat que JWST té la capacitat --apunta Leja-. Això podria significar que les galàxies simplement no es van formar abans d’aquella època i que no trobarem res més enllà. O podria significar que no vam tenir prou sort amb la nostra petita finestra".

Aquest treball va ser el resultat d’una exitosa proposta presentada a la NASA en la qual se suggeria com utilitzar el JWST durant el seu primer any d’operacions científiques. En els tres primers cicles de presentació de propostes, la NASA va rebre entre quatre i deu vegades més propostes de les que permetia el temps d’observació disponible al telescopi i només va haver de seleccionar una fracció d’elles.

"El nostre equip estava molt emocionat i una mica sorprès quan la nostra proposta va ser acceptada --assegura Leja-. Implicava coordinació, una ràpida acció humana i que el telescopi apuntés dos vegades al mateix, la qual cosa és molt demanar un telescopi el seu primer any. Hi havia molta pressió perquè només disposàvem d’uns quants mesos per determinar els objectes per al seguiment. Però JWST es va construir per trobar aquestes primeres galàxies, i és molt emocionant estar fent-ho ara".