Webb ve los granos de polvo ricos en carbono de los primeros mil millones de años del tiempo cósmico

Por primera vez, el telescopio espacial James Webb ha observado la firma química de granos de polvo ricos en carbono en el universo primitivo.

Se han observado señales de observación similares en el universo más reciente y se han atribuido a moléculas complejas basadas en carbono conocidas como hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP). Sin embargo, es poco probable que los PAH hayan evolucionado durante los primeros mil millones de años del tiempo cósmico.

El equipo internacional, que incluye investigadores de la Universidad de Cambridge, dice que Webb pudo haber observado un tipo diferente de partícula a base de carbono: quizás pequeños granos de grafito o diamante producidos por las estrellas o supernovas más antiguas. Sus resultados, publicados en la revista Science, indican que las galaxias nacientes en el universo primitivo evolucionaron mucho más rápido de lo esperado. naturaleza.

Los espacios aparentemente vacíos de nuestro universo en realidad no están vacíos en absoluto, sino que están llenos de nubes de gas y polvo cósmico. Este polvo consiste en granos de diferentes tamaños y composiciones que se forman y expulsan al espacio de diversas formas, incluidos los eventos de supernova.

Este material es esencial para la evolución del universo, ya que las nubes de polvo eventualmente forman los lugares de nacimiento de nuevas estrellas y planetas. Sin embargo, el polvo absorbe la luz estelar en ciertas longitudes de onda, lo que dificulta la observación de algunas regiones del espacio.

La ventaja es que ciertas moléculas absorberán o interactuarán constantemente con ciertas longitudes de onda de luz. Esto significa que los astrónomos pueden obtener información sobre la composición del polvo cósmico al observar las longitudes de onda de la luz que bloquea.

El equipo de astrónomos dirigido por Cambridge utilizó esta técnica, combinada con la extraordinaria sensibilidad de Webb, para detectar la presencia de granos de polvo ricos en carbono solo mil millones de años después del nacimiento del universo.

«Los granos de polvo ricos en carbono pueden ser particularmente efectivos para absorber la luz ultravioleta con una longitud de onda de aproximadamente 217,5 nanómetros, que observamos por primera vez directamente en los espectros de las galaxias muy tempranas», dijo el autor principal, el Dr. Joris Wittstock, del Instituto Kavli en Cambridge. para la cosmología.

Esta característica de 217,5 nm de diámetro se ha observado previamente en el universo local más reciente, incluso dentro de nuestra galaxia, la Vía Láctea, y se ha atribuido a dos tipos diferentes de moléculas basadas en carbono: hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP) o nanoescala. granos de grafito.

Según la mayoría de los modelos, deben haber pasado varios cientos de millones de años antes de que se formaran los PAH, por lo que sería sorprendente que el equipo notara la firma química de las moléculas que aún no deberían haberse formado. Sin embargo, según los investigadores, este hallazgo es la primera y más lejana indicación directa de granos de polvo ricos en carbono.

La respuesta puede estar en los detalles de lo que se observó. La característica que observó el equipo alcanzó un máximo de 226,3 nanómetros, no la longitud de onda de 217,5 nanómetros asociada con los HAP y el grafito de grano fino. Una diferencia de menos de diez nanómetros puede explicarse por un error de medición. Asimismo, también podría indicar una diferencia en la composición de la mezcla de polvo cósmico del universo primitivo que detectó el equipo.

«Este ligero cambio en la longitud de onda donde la absorción es más fuerte indica que podemos estar viendo una mezcla diferente de granos, por ejemplo, granos de grafito o diamantes», dijo Wittstock, quien también es investigador asociado postdoctoral en Sydney Sussex College. «Esto también podría ser producido en escalas de tiempo cortas por estrellas Wolf-Rayet o por material expulsado de una supernova».

Los modelos indicaron previamente que se podrían formar nanodiamantes en el material expulsado por las supernovas; Y las estrellas Wolf-Rayet masivas y calientes, que viven rápido y mueren jóvenes, darían tiempo suficiente para que nazcan, vivan y mueran generaciones de estrellas, para que los granos ricos en carbono se distribuyan en el polvo cósmico circundante en menos de mil millones de años.

Sin embargo, estos resultados aún son difíciles de explicar por completo con la comprensión actual de la formación temprana de polvo cósmico. Estos hallazgos continuarán desarrollando modelos mejorados y observaciones futuras.

Con la llegada de Webb, los astrónomos ahora pueden hacer observaciones detalladas de la luz de galaxias enanas individuales, vistas en los primeros mil millones de años del tiempo cósmico. Finalmente, Webb permite el estudio del origen del polvo cósmico y su papel en las primeras etapas cruciales de la evolución galáctica.

«Este descubrimiento fue posible gracias a la mejora sin precedentes en la sensibilidad de la espectroscopia de infrarrojo cercano de Webb, específicamente el espectrómetro de infrarrojo cercano (NIRSpec)», dijo el coautor, el profesor Roberto Maiolino, que trabaja en el laboratorio de Cavendish y Cavli. Instituto de Cosmología. «El aumento de la sensibilidad proporcionado por Webb es equivalente, en términos visuales, a actualizar el telescopio de 37 milímetros de Galileo a un Very Large Telescope de 8 metros, uno de los telescopios ópticos modernos más poderosos».

El equipo planea profundizar más en los datos y este hallazgo. «Planeamos trabajar con teóricos que están modelando la producción de polvo y el crecimiento de galaxias», dijo la coautora Erin Shivaye de la Universidad de Arizona/Centro de Astrobiología (CAB). «Esto arrojará luz sobre el origen del polvo y los elementos pesados ​​en el universo primitivo».

Estas observaciones se realizaron como parte del Sondeo Extragaláctico Profundo Avanzado JWST, o JADES. Este programa ha facilitado el descubrimiento de cientos de galaxias que existieron cuando el universo tenía menos de 600 millones de años, incluidas algunas de las galaxias más distantes conocidas hasta la fecha.

“He estudiado galaxias en los primeros mil millones de años del tiempo cósmico a lo largo de mi carrera y nunca esperábamos encontrar una firma tan clara de polvo cósmico en galaxias tan distantes”, dijo el coautor Dr. Rynsky-Smit de la Universidad John Moores de Liverpool. . «Los datos de ultra resolución de JWST nos muestran que los granos formados por polvo similar al diamante pueden formarse incluso en los sistemas más primitivos. Esto anula por completo los modelos de formación de polvo y abre una forma completamente nueva de estudiar el enriquecimiento químico del primer galaxias».