JWST ve el comienzo de la red cósmica

JWST ve el comienzo de la red cósmica

La Red Cósmica es la estructura a gran escala del Universo. Si pudieras ver cómo se desarrolla nuestro cosmos desde el Big Bang hasta hoy, verías que estos filamentos (y los vacíos entre ellos) se forman con el tiempo. Ahora, los astrónomos que usan JWST han encontrado diez galaxias que conforman una versión muy temprana de esta estructura, solo 830 millones de años después del comienzo del Universo.

La «red cósmica» comenzó como fluctuaciones de densidad en el Universo primitivo. Unos cientos de millones de años después del Big Bang, la materia (en forma de gas primordial) se había condensado en nudos en la intersección de láminas y filamentos de gas en la red primitiva. Estos nodos y filamentos albergaron las primeras estrellas y galaxias. Es natural que cuando los astrónomos miran hacia atrás en el tiempo, busquen versiones tempranas de la red cósmica. JWST les permitió mirar hacia atrás a objetos muy tenues y oscuros que existieron poco después del Big Bang.

Las diez galaxias identificadas por el equipo están alineadas en un hilo delgado de tres millones de años luz de largo anclado por un cuásar brillante. Su aparición sorprendió al equipo tanto por su tamaño como por su lugar en la historia cósmica. «Esta es una de las primeras estructuras fibrosas que la gente ha encontrado asociada con un cuásar distante», agregó Feige Wang de la Universidad de Arizona en Tucson, el investigador principal de este programa.

Aspirando a comprender el universo primitivo y la red cósmica

Las observaciones del JWST son parte de un programa de observación llamado ASPIRE: un estudio espectroscópico de halos sesgados en la era de la reionización. Utiliza imágenes y espectros de 25 cuásares que existían cuando el Universo comenzaba a iluminarse después de la «Edad Oscura». La idea es estudiar la formación de las primeras galaxias posibles, así como el nacimiento de los primeros agujeros negros. Además, el equipo espera comprender cómo el universo primitivo se enriqueció con elementos más pesados ​​(metales) y cómo se desarrolló todo durante la época de reionización.

Esta es una ilustración de un artista que muestra la línea de tiempo del universo primitivo mostrando algunos períodos de tiempo clave.  A la izquierda está el primer día del Universo, donde el intenso calor ha impedido que ocurran muchas cosas.  Después de eso es el lanzamiento del CMB una vez que el Universo se haya enfriado un poco.  Después de eso, en amarillo, está el Universo Neutral, el tiempo antes de que se formaran las estrellas.  Se suponía que los átomos de hidrógeno en el Universo Neutral emitían ondas de radio que podemos detectar aquí en la Tierra.  Crédito de la imagen: ESA - C. Carreau
Esta es una ilustración de un artista que muestra la línea de tiempo del universo primitivo mostrando algunos períodos de tiempo clave. A la izquierda está el primer día del Universo, donde el intenso calor ha impedido que ocurran muchas cosas. Después de eso es el lanzamiento del CMB una vez que el Universo se haya enfriado un poco. Después de eso, en amarillo, está el Universo Neutral, el tiempo antes de que se formaran las estrellas. Se suponía que los átomos de hidrógeno en el Universo Neutral emitían ondas de radio que podemos detectar aquí en la Tierra. Crédito de la imagen: ESA – C. Carreau

Los objetivos de ASPIRE son una parte importante de la comprensión del origen y la evolución del Universo. “Las últimas dos décadas de investigación en cosmología nos han dado una sólida comprensión de cómo se forma y evoluciona la red cósmica. ASPIRE tiene como objetivo comprender cómo incorporar la aparición de los primeros agujeros negros masivos en nuestra historia actual de formación de estructuras cósmicas», explicó el miembro del equipo Joseph Hennawi de la Universidad de California, Santa Bárbara.

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Centrarse en los primeros agujeros negros

Los cuásares hacen señas a través del tiempo y el espacio. Están alimentados por agujeros negros supermasivos que producen cantidades increíbles de luz y otras emisiones, junto con poderosos chorros. Los astrónomos las usan como velas estándar para medir distancias, así como una forma de estudiar las vastas regiones del espacio a través de las cuales pasa su luz.

Impresión artística de un cuásar. Al menos uno está implicado en un primer hilo de la red cósmica. Crédito: NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva

Al menos ocho de los cuásares del estudio ASPIRE tienen agujeros negros que se formaron menos de mil millones de años después del Big Bang. Estos agujeros negros tienen masas entre 600 millones y 2 mil millones de veces la masa del Sol. De hecho, es bastante masivo y plantea muchas preguntas sobre su rápido crecimiento. “Para formar estos agujeros negros supermasivos en tan poco tiempo, se deben cumplir dos criterios. Primero, debe comenzar a crecer a partir de un enorme agujero negro de «semilla». En segundo lugar, incluso si esta semilla comienza con una masa equivalente a mil soles, todavía tiene que acumular un millón de veces más materia al ritmo máximo posible a lo largo de su vida», explicó Wang.

Para que estos agujeros negros crecieran como lo han hecho, necesitaban mucho combustible. Sus galaxias también eran bastante masivas, lo que podría explicar los monstruosos agujeros negros en sus corazones. Esos agujeros negros no solo absorbieron una gran cantidad de material, sino que sus salidas también afectaron la formación de estrellas. “Los fuertes vientos de los agujeros negros pueden suprimir la formación de estrellas en la galaxia anfitriona. Tales vientos se han observado en el universo cercano, pero nunca se han observado directamente en la época de la reionización «, dijo Yang. «La escala del viento está relacionada con la estructura del cuásar. En las observaciones de Webb, estamos viendo que tales vientos existió en el universo primitivo».

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¿Por qué la Era?

A menudo escuchamos de astrónomos que quieren mirar hacia atrás en la época de la reionización. ¿Por qué es un objetivo tan tentador? Ofrece un vistazo a la era en la que se formaron las primeras estrellas y galaxias. Después del Big Bang, el Universo recién nacido estaba en un estado caliente y denso. A veces escuchamos que se refiere a ella como la sopa primordial del cosmos. Luego, la expansión se inició y las cosas comenzaron a enfriarse. Esto permitió que los electrones y los protones se combinaran para formar los primeros átomos de gas neutro. También permitió la propagación de la energía térmica del Big Bang. Los astrónomos detectan esa radiación. Está desplazado hacia el rojo en la porción de microondas del espectro electromagnético. Los astrónomos lo llaman «radiación de fondo cósmico de microondas» (CMB).

las primeras estrellas
Una visualización de cómo se veía el universo cuando atravesaba su última gran era de transformación: la época de la reionización. Crédito: Paul Geil y Simon Mutch/Universidad de Melbourne

Este aspecto del Universo primitivo tuvo pequeñas fluctuaciones en la densidad de su material en expansión. Ese material era hidrógeno neutro. Todavía no había estrellas ni galaxias. Pero, eventualmente, estas áreas de alta densidad comenzaron a agruparse bajo la gravedad, lo que provocó que la materia neutra también comenzara a agruparse. Esto condujo a un mayor colapso de las áreas de alta densidad, lo que finalmente condujo al nacimiento de las primeras estrellas. Calentaron el material circundante, que abrió agujeros en las regiones neutrales y permitió que la luz viajara. Esencialmente, esos agujeros (o burbujas) en el gas neutro permitieron que la radiación ionizante viajara más lejos en el espacio. Era el comienzo de la Era de la Reionización. Mil millones de años después del Big Bang, el Universo estaba completamente ionizado.

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Entonces, ¿cómo explicar los primeros agujeros negros supermasivos?

Curiosamente, esas primeras galaxias encontradas por JWST, junto con sus cuásares, ya estaban completamente en su lugar, con agujeros negros supermasivos en su núcleo. La pregunta clave sigue siendo: ¿Cómo se hicieron tan grandes tan rápido? Su existencia puede decirles a los astrónomos algo sobre las «sobredensidades» en el cosmos recién nacido. Primero, la «semilla» del agujero negro necesita una región superdensa llena de galaxias para formarse.

Sin embargo, hasta ahora, las observaciones previas al descubrimiento del JWST han revelado solo unas pocas sobredensidades galácticas alrededor de los primeros agujeros negros supermasivos. Los astrónomos necesitan hacer más observaciones en esta era para explicar por qué ese podría ser el caso. El programa ASPIRE debería ayudar a resolver preguntas sobre la retroalimentación entre la formación de galaxias y la creación de agujeros negros en esta época tan temprana del Universo. En el camino, también deberían ver más fragmentos de la estructura a gran escala de la red cósmica del Universo a medida que se forman.

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Una encuesta espectroscópica de halos sesgados en la era de la reionización (ASPIRE): JWST revela una estructura filamentosa alrededor de z = 6.61 Quasar

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