En un estudio reciente liderado por el Centro de Astrobiología (CAB), CSIC-INTA, investigadores de 9 países han analizado las imágenes más profundas tomadas por el instrumento NIRCam del telescopio James Webb, dentro del Tiempo Garantizado otorgado a los miembros del equipo que construyó el instrumento MIRI, y han encontrado muchas más galaxias, mucho más brillantes y con tamaños mucho más pequeños de lo que se esperaba encontrar en el universo primigenio.

Durante 20 años, investigadores del Centro de Astrobiología (CAB), CSIC-INTA, han trabajado, junto con un astrofísicos y técnicos de otros 8 países europeos y Estados Unidos, en el desarrollo de uno de los instrumentos del telescopio espacial James Webb (JWST, de sus siglas en inglés), MIRI. “Como parte del pago de nuestro trabajo en la construcción de MIRI, ESA y NASA nos concedieron tiempo de telescopio garantizado con el que llevar a cabo proyectos científicos que hemos estado planeando durante lustros”, declara Luis Colina, co- investigador principal de MIRI en el CAB.

Las observaciones de tiempo garantizado se empezaron a ejecutar en el otoño de 2022, incluyendo las que son las imágenes más profundas tomadas por JWST en el primer año de operaciones científicas. Göran Ostlin, co-investigador principal de MIRI que trabaja en la Universidad de Estocolmo, nos dice: “En diciembre de 2022 tomamos datos de una zona del cielo conocida como el Hubble Ultra-deep Field con MIRI, JWST se pasó 50 horas recogiendo fotones de galaxias lejanas. En paralelo también estaba encendido el instrumento NIRCam, la cámara más sensible de JWST, y con ella tomamos datos que nos permitieron detectar alguna de las galaxias más lejanas observadas hasta la fecha, 10 veces más débiles que las que se habían estudiado durante los primeros 6 meses de la misión. Es lo que llamamos el MIRI Deep Imaging Survey (MIDIS)”.

En un artículo publicado en The Astrophysical Journal Letters, el equipo del MIDIS ha presentado su búsqueda de las galaxias más lejanas del universo usando los datos NIRCam. Pablo G. Pérez-González, astrofísico del CAB que ha trabajado en el proyecto durante 10 años, lidera este trabajo en el que se han encontrado 44 galaxias que se habrían formado en los primeros 500 millones de años del Universo, menos de un 4% de su edad actual, incluso presentan alguna candidata formada en los primeros 200 millones de años del universo, un 1% de la edad.

El principal resultado de este trabajo se ha obtenido al comparar las propiedades de estas galaxias primigenias con lo que predecían los modelos de formación de galaxias más avanzados. Nos lo cuenta Luca Costantin, contratado postdoctoral en el CAB a través del programa de Atracción de Talento de la Comunidad de Madrid, y coautor del artículo: “Durante décadas se han desarrollado simulaciones del universo que, usando las súpercomputadoras más potentes del mundo, han estudiado cómo se forman las galaxias, cuándo aparecen las primeras estrellas, cómo el gas primordial, que solo era hidrógeno y helio, se va convirtiendo en otros elementos, como el oxígeno o el carbono, y cómo, en definitiva, se van creando los ingredientes fundamentales de la vida”.

En el artículo se compara la cantidad de fotones ultravioleta que se crearon en estas galaxias primigenias descubiertas por JWST con lo que predicen simulaciones cosmológicas como Illustris o EAGLE. “JWST es capaz medir la cantidad de energía emitida en el ultravioleta por galaxias lejanas. Por el efecto de la expansión del universo, hoy esa energía toma forma de fotones infrarrojos, que son los que JWST y su instrumento NIRCam pueden detectar”, explica Pierluigi Rinaldi, estudiante de doctorado de la University of Groningen y colaborador del proyecto.

El primer autor del artículo, Pablo G. Pérez-González, nos explica que “las galaxias primigenias crearon 10 veces más fotones ultravioleta de lo que predecían los modelos, la clave está en cómo”. Los fotones ultravioleta pueden ser creados por estrellas jóvenes y calientes, mucho más calientes que el Sol, que evolucionan y desaparecen rápidamente. Pero esos fotones ultravioletas también pueden ser creados por agujeros negros súpermasivos. En el artículo se describe que las galaxias primigenias descubiertas son además muy compactas, 2-3 veces más de lo esperado, lo que podría estar ligado a esa presencia de esos agujeros negros.

“¿Dé dónde habrían salido esos agujeros negros supermasivos en el universo joven?

¿Cómo se podrian haber formado tan rápido? ¿Quizás de agujeros negros primordiales que estaban ahí casi desde el mismo Big Bang? ¿O de agujeros negros que no provienen de estrellas, que es como creemos que se forman normalmente, sino directamente del gas primigenio, sin pasar por estrellas, colapsan directamente? ¿O en realidad vemos más fotones ultravioleta de los esperados porque hay muchas más estrellas masivas de las que se forman normalmente en galaxias jóvenes cercanas?”, declara Pérez-González. “Por ahora JWST nos está proporcionando muchas más preguntas que respuestas, pero estas nuevas líneas de investigación son apasionantes”, concluyen los autores del artículo.