Webb descubre los secretos de una de las galaxias más distantes jamás vistas

Mirando profundamente en el espacio y el tiempo, dos equipos que utilizan el telescopio espacial James Webb de la NASA han estudiado la galaxia excepcionalmente luminosa GN-z11, que existía cuando nuestro universo de 13.800 millones de años tenía sólo unos 430 millones de años. 

Detectada inicialmente con el Telescopio Espacial Hubble de la NASA, esta galaxia, una de las más jóvenes y distantes jamás observadas, es tan brillante que los científicos desafían a entender por qué. Ahora, el GN-z11 revela algunos de sus secretos.

Esta imagen del instrumento NIRCam (cámara de infrarrojo cercano) de Webb muestra una parte del campo de galaxias GOODS-North. En la parte inferior derecha, una imagen desplegable resalta la galaxia GN-z11, que se ve apenas 430 millones de años después del Big Bang. La imagen revela un componente extendido, que rastrea la galaxia anfitriona GN-z11, y una fuente central cuyos colores son consistentes con los de un disco de acreción que rodea un agujero negro. Créditos Imagen: NASA, ESA, CSA, STScI, Brant Robertson (UC Santa Cruz), Ben Johnson (CfA), Sandro Tacchella (Cambridge), Marcia Rieke (Universidad de Arizona), Daniel Eisenstein (CfA)

El vigoroso agujero negro es el más distante jamás encontrado

Un equipo que estudia GN-z11 con Webb encontró la primera evidencia clara de que la galaxia alberga un agujero negro supermasivo central que está acumulando materia rápidamente. Su hallazgo convierte a este en el agujero negro supermasivo activo más lejano detectado hasta la fecha.

"Encontramos gas extremadamente denso que es común en las proximidades de agujeros negros supermasivos que acumulan gas", explicó el investigador principal Roberto Maiolino del Laboratorio Cavendish y el Instituto Kavli de Cosmología de la Universidad de Cambridge en el Reino Unido. "Estas fueron las primeras señales claras de que GN-z11 alberga un agujero negro que está devorando materia". 

Utilizando Webb, el equipo también encontró indicios de elementos químicos ionizados que normalmente se observan cerca de agujeros negros supermasivos en acreción. Además, descubrieron un viento muy poderoso siendo expulsado por la galaxia. Estos vientos de alta velocidad suelen ser impulsados ​​por procesos asociados con agujeros negros supermasivos que se acumulan vigorosamente. 

"La NIRCam (cámara de infrarrojo cercano) de Webb ha revelado un componente extendido, que rastrea la galaxia anfitriona, y una fuente central compacta cuyos colores son consistentes con los de un disco de acreción que rodea un agujero negro", dijo la investigadora Hannah Übler, también del Laboratorio Cavendish y el Instituto Kavli.

En conjunto, esta evidencia muestra que GN-z11 alberga un agujero negro supermasivo de 2 millones de masa solar en una fase muy activa de consumo de materia, razón por la cual es tan luminoso. 

Este gráfico de dos partes muestra evidencia de una acumulación gaseosa de helio en el halo que rodea la galaxia GN-z11. En la parte superior, en el extremo derecho, un pequeño cuadro identifica GN-z11 en un campo de galaxias. El cuadro del medio muestra una imagen ampliada de la galaxia. El cuadro en el extremo izquierdo muestra un mapa del gas helio en el halo de GN-z11, incluido un grupo que no aparece en los colores infrarrojos que se muestran en el panel central. En la mitad inferior del gráfico, un espectro muestra la clara "huella digital" del helio en el halo. El espectro completo no muestra evidencia de otros elementos y por lo tanto sugiere que la masa de helio debe ser bastante prístina, hecha de hidrógeno y gas helio sobrantes del Big Bang, sin mucha contaminación de elementos más pesados ​​producidos por las estrellas. La teoría y las simulaciones en las proximidades de galaxias particularmente masivas de estas épocas predicen que debería haber bolsas de gas prístino sobreviviendo en el halo, que podrían colapsar y formar cúmulos estelares de Población III. Créditos: Ilustración: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI)

Grupo de gas prístino en Halo Intrigues de GN-z11

Un segundo equipo, también dirigido por Maiolino, utilizó el NIRSpec (espectrógrafo de infrarrojo cercano) de Webb para encontrar una masa gaseosa de helio en el halo que rodea al GN-z11.

"El hecho de que no veamos nada más que helio sugiere que este grupo debe ser bastante prístino", dijo Maiolino. "Esto es algo que la teoría y las simulaciones esperaban en las proximidades de galaxias particularmente masivas de estas épocas: que debería haber bolsas de gas prístino sobreviviendo en el halo, y éstas podrían colapsar y formar cúmulos de estrellas de Población III".

Encontrar las estrellas de Población III nunca antes vistas (la primera generación de estrellas formadas casi en su totalidad a partir de hidrógeno y helio) es uno de los objetivos más importantes de la astrofísica moderna. Se prevé que estas estrellas serán muy masivas, muy luminosas y muy calientes. Su firma esperada es la presencia de helio ionizado y la ausencia de elementos químicos más pesados ​​que el helio. 

La formación de las primeras estrellas y galaxias marca un cambio fundamental en la historia cósmica, durante la cual el universo evolucionó desde un estado oscuro y relativamente simple hasta el entorno altamente estructurado y complejo que vemos hoy.

En futuras observaciones de Webb, Maiolino, Übler y su equipo explorarán GN-z11 con mayor profundidad y esperan fortalecer los argumentos a favor de las estrellas de Población III que pueden estar formándose en su halo.

La investigación sobre la prístina masa de gas en el halo de GN-z11 ha sido aceptada para su publicación por Astronomy & Astrophysics . Los resultados del estudio del agujero negro de GN-z11 se publicaron en la revista Nature el 17 de enero de 2024. Los datos se obtuvieron como parte del JWST Advanced Deep Extragalactic Survey ( JADES ), un proyecto conjunto entre los equipos NIRCam y NIRSpec.

El Telescopio Espacial James Webb es el principal observatorio científico espacial del mundo. Webb está resolviendo misterios en nuestro sistema solar, mirando más allá, hacia mundos distantes alrededor de otras estrellas, y explorando las misteriosas estructuras y orígenes de nuestro universo y nuestro lugar en él. Webb es un programa internacional liderado por la NASA con sus socios, la ESA (Agencia Espacial Europea) y la Agencia Espacial Canadiense.

Enlaces y documentos relacionados

"Un pequeño y vigoroso agujero negro en el universo temprano" por R. Maiolino et al,, enlace artículo.

"JWST-JADES. Posibles firmas de la Población III en z = 10,6 en el halo de GN-z11" por R. Maiolino et al., enlace artículo.

Publicado en webbtelescope.org el 4 de marzo del 2024, enlace publicación.