JWST ve moléculas orgánicas ridículamente lejos

Cuando los astrónomos utilizaron el JWST para observar una galaxia a más de 12 000 millones de años luz de distancia, también estaban mirando hacia atrás en el tiempo. Y cuando encontraron moléculas orgánicas en esa lejana galaxia, las encontraron en los inicios del universo.

Las moléculas orgánicas generalmente se encuentran donde se forman las estrellas, pero no en este caso.

Las moléculas orgánicas son hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP) que los científicos creen que son los componentes básicos de la vida. Ocurren naturalmente aquí en la Tierra como subproductos de la combustión. También impregna el medio interestelar (ISM), la materia interestelar y la radiación. Se refieren a regiones de gas frío a partir de las cuales se forman las estrellas.

Encontrar HAP en una galaxia antigua muy, muy lejana requiere tecnología, habilidad y algo de buena suerte. JWST proporcionó a la tecnología sus agudas capacidades de observación infrarroja, y una galaxia en primer plano a solo 3 mil millones de años luz de distancia alineada con la galaxia lejana salvó la fortuna. Está alineado correctamente y actúa como una lente gravitatoria, amplificando la luz de la galaxia distante.

La galaxia distante se llama SPT0418-47. No solo está a 12 mil millones de años luz de distancia, sino que los astrónomos ven la luz que emana de él cuando el universo tenía solo el 10 por ciento de su edad actual, aproximadamente 1,5 mil millones de años después del Big Bang.

La antigua luz de SPT0418-47 forma un anillo alrededor de la galaxia en primer plano llamado Anillo de Einstein. Einstein predijo estos episodios en su teoría de la relatividad general. Con la luz amplificada, el poderoso JWST la examinó con un instrumento de infrarrojo medio (MIRI).

Los investigadores que descubrieron los HAP procedían de varias instituciones de América del Norte, América del Sur y Europa. Presentaron sus hallazgos en un artículo en Nature titulado «Variaciones espaciales en la emisión de hidrocarburos aromáticos en una galaxia rica en polvo.El autor principal es Justin Spilker del Departamento de Física y Astronomía de la Universidad Texas A&M.

«Al combinar las increíbles habilidades de Webb con una ‘lupa cósmica’ natural, pudimos ver más detalles de los que podríamos ver de otra manera», dijo el autor principal Spilker. “Este nivel de aumento es en realidad lo que nos interesó en mirar esta galaxia con Webb en primer lugar porque realmente nos permite ver todos los detalles ricos de lo que compuso una galaxia en el universo primitivo que no podríamos haber hecho. de lo contrario.»

Hay varios tipos de PAH, pero una cosa que tienen en común es el tamaño. incluso el más simple, naftalinaContiene 10 átomos de carbono y 8 átomos de hidrógeno. Los átomos más grandes pueden contener hasta 50 átomos de carbono.

«Estas partículas grandes son muy comunes en el espacio», explicó Spilker. Los astrónomos solían pensar que era una buena señal de que se estaban formando nuevas estrellas. Dondequiera que vi estas partículas, las pequeñas estrellas brillaban a lo lejos”.

Los PAH se han asociado durante mucho tiempo con el nacimiento de las estrellas. Los astrónomos los han encontrado en regiones activas de nacimiento de estrellas en diferentes partes de la Vía Láctea. También detectaron las partículas grandes cerca de estrellas jóvenes y brillantes.

Pero en este caso, la galaxia antigua tiene PAH en abundancia en ausencia de formación de estrellas, y la formación de estrellas está ausente de PAH.

«Gracias a las imágenes de alta resolución de Webb, hemos encontrado muchas áreas con humo pero sin formación de estrellas y otras con nuevas estrellas formándose pero sin humo», dijo Spilker.

Algo está sucediendo en el viejo control remoto SPT0418-47 que necesita un replanteamiento. La relación entre los PAH y la formación de estrellas no es tan fuerte como se pensaba anteriormente. O no en el universo primitivo de todos modos.

Los astrónomos no pueden llegar a una conclusión basándose en las observaciones de una sola galaxia. El desajuste entre la presencia de PAH y la formación de estrellas solo puede entenderse a través de más observaciones. Los astrónomos pueden contar con JWST para obtener más.

dijo Kedar Fadek, estudiante graduado de la Universidad de Illinois, Urbana-Champaign, quien dirigió el desarrollo técnico de las notas Webb del equipo. «Es sorprendente que podamos identificar moléculas a miles de millones de años luz de distancia que conocemos aquí en la Tierra, incluso si aparecen de formas que no nos gustan, como smog y humo. También es una declaración poderosa sobre las increíbles capacidades de Webb que no he tenido antes».

Tomó algo de investigación distinguir la luz infrarroja de los HAP de los granos de polvo más grandes. Los granos de polvo absorben aproximadamente la mitad de la radiación emitida por las estrellas a lo largo de la historia del universo y la emiten como luz infrarroja. Toda la luz infrarroja del diminuto polvo puede manchar la imagen de las primeras galaxias.

Joaquín Vieira es profesor de astronomía y física en la Universidad de Illinois Urbana-Champaign y formó parte del equipo de investigación. “Este proyecto comenzó cuando estaba en la escuela de posgrado estudiando galaxias muy distantes y difíciles de detectar que están oscurecidas por el polvo”, dijo Vieira. «Los granos de polvo absorben y vuelven a emitir casi la mitad de la radiación estelar producida en el universo, lo que hace que la luz infrarroja de los objetos distantes sea demasiado débil o indetectable para los telescopios terrestres».

Antes del lanzamiento de JWST, no había forma de observar realmente estas antiguas galaxias. En cambio, los astrónomos han creado lo que se conoce como galaxias enanas compactas y brillantes (BCD). Estas diminutas galaxias son similares a las diminutas galaxias que los astrónomos pensaron que eran comunes en el universo primitivo. Muchos investigadores creen que nuestra galaxia y otras similares crecieron mucho a través de fusiones que involucran BCD. Algunos BCD han permitido la formación de PAH, pero las estrellas jóvenes que emiten fluorescencia en la luz ultravioleta también pueden destruir los PAH.

Los BCD se utilizaron como unidades de respaldo para las galaxias antiguas y, aunque las observaciones han sido desconcertantes, siempre ha habido preguntas. Sin embargo, esas primeras galaxias estaban fuera de nuestro alcance.

Pero el poder de monitoreo infrarrojo masivo de JWST ha cambiado eso. Cuando se combina con una lente gravitacional, la imagen de los objetos distantes se vuelve más clara.

«No esperábamos esto», dijo Vieira. «Detectar estas moléculas orgánicas complejas a una distancia tan grande es un cambio de juego para futuras observaciones. Este trabajo es solo un primer paso, y solo ahora estamos aprendiendo cómo usarlo y ver su potencial. Estamos muy emocionados de ver cómo se desarrolla”.

Debido a que los PAH contienen carbono, los astrónomos creen que solo pueden existir después de que generaciones de estrellas hayan vivido y muerto. El Big Bang no produjo elementos más pesados ​​que el hidrógeno y el helio. Solo la composición nuclear estelar puede crearlo. Una vez creados en las estrellas, se esparcen por el universo cuando la estrella «muere».

“Lo que esta investigación nos dice en este momento, y todavía estamos aprendiendo, es que podemos ver todas las regiones donde están estos pequeños granos de polvo, regiones que no podíamos ver antes de JWST”, dijo Phadke. «Los nuevos datos espectroscópicos nos permiten observar la estructura atómica y molecular de la galaxia, proporcionando información muy importante sobre la formación, el ciclo de vida y la evolución de las galaxias».

Todavía no hay explicación de por qué los PAH no forman estrellas y viceversa. Si las observaciones de otras galaxias antiguas muestran lo mismo, los astrónomos están en lo cierto.

Estas nuevas notas de JWST provienen de TEMPLATES, un programa de ciencia lanzado temprano. TEMPLATES significa Apuntar a los arcos de la lente con una lente polivalente de gran aumento y su formación estelar extendida. «El zoom de la lente lleva a JWST a la resolución espacial más alta posible en estos desplazamientos al rojo» El equipo de plantillas escribióEstablecer los principales pronósticos espectrales de formación de estrellas y extinción de polvo: H-alfa, Pa-alfa y PAH de 3,3 um dentro de galaxias distantes individuales.

Los moldes presentan observaciones de cuatro galaxias, todas a través de lentes gravitacionales. Dos de las cuatro galaxias están tan polvorientas que los telescopios como el Hubble no pueden ver dentro de ellas. Pero JWST puede perforar el velo polvoriento y mapear el polvo. Al hacerlo, encontró HAP y posiblemente nuevos aspectos de la formación de estrellas que prevalecían en el universo primitivo.

«Estos son los primeros días para el telescopio Webb, por lo que los astrónomos están emocionados de ver todas las cosas nuevas que puede hacer por nosotros», dijo Spilker. «¿Detectar humo en una galaxia al principio de la historia del universo? Webb hace que suene fácil. Ahora que hemos demostrado que esto es posible por primera vez, esperamos tratar de entender si es realmente cierto que donde hay humo, hay fuego. Tal vez podamos encontrar galaxias tan pequeñas que partículas complejas como esta aún no hayan tenido tiempo de formarse en el vacío del espacio, por lo que las galaxias son todo fuego y nada de humo. La única forma de estar seguro es mirar más galaxias, con suerte más allá de estas galaxias».

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