Los astrónomos confirman que la segunda galaxia más distante de todos los tiempos y sus estrellas ya son viejas
Forbes
En la imagen grande a la izquierda, las muchas galaxias de un cúmulo masivo llamado MACS J1149 + 2223 dominan la escena. Las lentes gravitacionales del cúmulo gigante iluminaron la luz de la galaxia recién descubierta, conocida como MACS 1149-JD, unas 15 veces. En la esquina superior derecha, un acercamiento parcial muestra MACS 1149-JD con más detalle, y un zoom más profundo aparece en la parte inferior derecha. Crédito de la imagen: NASA / ESA / STScI / JHU
Por Ethan Siegel, para Forbes Mayo 17 de 2018
Las opiniones expresadas por Ethan Siegel, colaborador de Forbes son suyas, exclusivamente.
Tan lejos como nuestros telescopios más poderosos nos han permitido observar , nunca hemos encontrado el límite de donde las estrellas y las galaxias dejan de existir. Hay una gran brecha entre la primera galaxia que hemos encontrado — GN-z11 , cuando el Universo tenía solo 400 millones de años — y el resplandor sobrante del Big Bang, desde cuando el Universo tenía 380,000 años de antigüedad. Mientras tanto, sabemos que las primeras estrellas deben estar allí, pero no tenemos las capacidades para ver directamente en ese rango. Hasta que obtengamos el Telescopio Espacial James Webb, solo tendremos evidencia indirecta para guiarnos.
A medida que exploramos más y más el Universo, podemos mirar más lejos en el espacio, lo que equivale a retroceder en el tiempo. El Telescopio Espacial James Webb nos llevará a profundidades, directamente, que nuestras instalaciones de observación actuales no pueden igualar. Crédito de la imagen: equipos de NASA / JWST y HST
Pero en lo que respecta a la evidencia indirecta, simplemente recibimos un gran impulso. Los científicos acaban de confirmar la segunda galaxia más distante de todas: MACS1149-JD1 , cuya luz proviene de cuando el Universo tenía 530 millones de años: menos del 4% de su edad actual. Pero lo que es notable es que hemos podido detectar el oxígeno allí , marcando la primera vez que hemos visto este elemento pesado tan atrás. A partir de las observaciones que hemos realizado, podemos concluir que esta galaxia tiene al menos 250 millones de años, empujando la evidencia directa de las primeras estrellas más allá que nunca.
Diagrama esquemático de la historia del universo, destacando la reionización. Antes de que se formaran las estrellas o las galaxias, el Universo estaba lleno de átomos neutros que bloqueaban la luz. Si bien la mayor parte del Universo no se reioniza hasta 550 millones de años después, algunas regiones afortunadas son reionizadas en tiempos mucho más antiguos. Crédito de la imagen: S. G. Djorgovski y otros, Caltech Digital Media Center
De acuerdo con lo que el Universo está hecho: 68% de energía oscura, 27% de materia oscura, 4.9% de materia normal, 0.1% de neutrinos y un poco (~ 0.01%) de radiación, podemos simular cómo y cuándo debería formarse estrellas y galaxias. Como podemos medir las propiedades iniciales que tenía directamente cuando tenía 380 000 años, todo lo que tenemos que hacer es conectar las leyes de la física y evolucionar en el tiempo. Cuando lo hacemos, nuestras mejores simulaciones indican una notable historia de una estructura de red cósmica que se acumula con el tiempo, que culmina en galaxias evolucionadas y grupos / cúmulos de galaxias separadas por vastos espacios cósmicos en este universo en expansión y aceleración.
Si las leyes de la física se sostienen como esperábamos, esperamos que haya un período del Universo, las edades oscuras, en el que la materia se está atrayendo gravitatoriamente a estas regiones excesivamente densas, pero que aún no se ha colapsado ni contraído lo suficiente como para formar estrellas. Las primeras estrellas pueden tardar entre 50 millones y 200 millones de años en formarse, y luego, después, grandes cantidades de formación de estrellas deberían suceder a la vez. Los cúmulos de estrellas más pequeños se fusionarán en otros más grandes y, finalmente, en proto-galaxias: los bloques de construcción de las galaxias que vemos hoy en día. Eventualmente, unos 550 millones de años después del Big Bang, se habrán formado suficientes estrellas para que el Universo sea liberado de sus átomos neutros que bloquean la luz, y podremos ver todo con un telescopio óptico lo suficientemente potente.
La impresión de un artista del entorno en el Universo temprano después de que los primeros trillones de estrellas se formaron, vivieron y murieron. La existencia y el ciclo de vida de las estrellas es el proceso primario que enriquece al Universo más allá de simplemente hidrógeno y helio, mientras que la radiación emitida por las primeras estrellas la hace transparente a la luz visible. Todavía no hemos podido ver directamente una población de estas primeras estrellas. Crédito de la imagen: NASA / ESA / ESO / Wolfram Freudling et al. (CCTEP)
¿Pero cuándo se activaron estas primeras estrellas, en serio? ¿Cuáles son sus propiedades y cómo son diferentes de las estrellas actuales? ¿Qué tan rápido se agotan, y cuándo se forman las primeras estrellas con planetas rocosos y / o los ingredientes potenciales para la vida? ¿Y hay una región del espacio preferida donde todo esto sucede?
Hasta este momento, hemos podido volver a unos 400 millones de años después del Big Bang a través de los grandes observatorios de la NASA, encontrando galaxias jóvenes que ya están bastante evolucionadas. Indirectamente, hemos podido medir, muy recientemente, una firma específica que señala que las estrellas se formaron incluso antes : cuando el Universo tenía entre 180 y 260 millones de años. Pensamos que iban a necesitar esperar hasta que el Telescopio Espacial James Webb apareciera para confirmar esto.
La enorme 'inmersión' que se ve en el gráfico aquí, resultado directo de un estudio reciente de Bowman et al. (2018), muestra la señal inequívoca de emisión de 21 cm desde cuando el Universo tenía entre 180 y 260 millones de años de edad. Esto corresponde, creemos, al encendido de la primera ola de estrellas y galaxias en el Universo. Con base en esta evidencia, el comienzo del "amanecer cósmico" comienza con un corrimiento al rojo de 22 o más. Crédito de la imagen: J.D. Bowman et al., Nature, 555, L67 (2018)
Pero un nuevo estudio, publicado el 16 de mayo de 2018 en Nature, nos acaba de dar la confirmación de que necesitamos que las estrellas, de hecho, existan en esos primeros tiempos. Hay una serie de galaxias candidatas ultra distantes: galaxias cuyos colores ultra rojos (o incluso infrarrojos) indican que probablemente estén muy lejos. Pero hasta que se confirmen estas distancias, existe la posibilidad de que sean simples intrusos. De hecho, a principios de esta semana, se demostró que una de las galaxias candidatas más tempranas era exactamente tal intruso; esto sucede con frecuencia y pone de relieve por qué exigimos confirmación.
El impresionante enorme cúmulo de galaxias MACS J1149.5 + 223, cuya luz tardó más de 5 mil millones de años en llegar a nosotros, fue el objetivo de uno de los programas de Hubble Frontier Fields. Este objeto masivo enfoca gravitacionalmente los objetos que están detrás de él, estirándolos y amplificándolos, y nos permite ver más recónditos recovecos de las profundidades del espacio que en una región relativamente vacía. Crédito de la imagen: NASA, ESA, S. Rodney (Universidad John Hopkins, EE. UU.) Y el equipo de FrontierSN; T. Treu (Universidad de California, Los Ángeles, EE. UU.), P. Kelly (Universidad de California, Berkeley, EE. UU.) Y el equipo de GLASS; J. Lotz (STScI) y el equipo de Frontier Fields; M. Postman (STScI) y el equipo de CLASH; y Z. Levay (STScI)
Pero la galaxia MACS1149-JD1 se confirmó que estaba tan lejos como habíamos pensado, por lo que es la segunda galaxia más distante jamás vista. Y dentro de eso, no solo encontramos los ingredientes que esperamos que tengan las primeras estrellas: hidrógeno y helio. El oxígeno también estaba allí, y si bien es el tercer elemento más abundante en el Universo, el oxígeno no se creó en el Big Bang, sino solo después de que las primeras generaciones de estrellas mueren y mueren.
Los restos de supernova (L) y las nebulosas planetarias (R) son ambas maneras en que las estrellas reciclan sus elementos quemados y pesados en el medio interestelar y la próxima generación de estrellas y planetas. Las primeras estrellas verdaderamente prístinas deben haber sido creadas antes de que las supernovas, las nebulosas planetarias o las fusiones de estrellas de neutrones contaminen el medio interestelar con elementos pesados. La detección de oxígeno en esta galaxia ultra-distante, junto con el brillo de la galaxia, nos dice que ya tiene cientos de millones de años. Crédito de la imagen: ESO / Very Large Telescope / FORS instrument & team (L); NASA, ESA, C.R. O'Dell (Vanderbilt) y D. Thompson (Large Binocular Telescope) (R)
La firma infalible de oxígeno y el brillo observado de la galaxia, así como las firmas de hidrógeno que ayudaron a determinar con precisión su distancia, se observaron mediante una combinación de cuatro observatorios distantes: ALMA, VLT de ESO, Hubble y Spitzer. El brillo indica que la galaxia ha estado formando estrellas durante algún tiempo, ya que requiere acumulación con el tiempo para alcanzar los niveles observados. Esto crea una imagen del amanecer cósmico para esta galaxia que es consistente con todo lo demás conocido: donde las primeras estrellas que se crearon para construir esta galaxia se formaron solo 250 millones de años después del Big Bang.
Toda nuestra historia cósmica es teóricamente bien comprendida, pero solo cualitativamente. Es al confirmar observacionalmente y revelar varias etapas en el pasado de nuestro Universo que deben haber ocurrido, como cuando se formaron las primeras estrellas y galaxias, que realmente podemos llegar a comprender nuestro cosmos. El Big Bang establece un límite fundamental de cuán atrás podemos ver en cualquier dirección. Crédito de la imagen: Nicole Rager Fuller / National Science Foundation
Esto representa un paso más hacia aguas cósmicas anteriormente inexploradas. Nunca antes habíamos visto una galaxia tan distante con una población confirmada de estrellas maduras dentro de ella. Como Richard Ellis, coautor del nuevo estudio , afirma:
Las primeras estrellas y galaxias en el Universo estarán rodeadas por átomos neutros de (principalmente) hidrógeno gaseoso, que absorbe la luz de las estrellas. Todavía no podemos observar esta primera luz estelar directamente, pero podemos observar lo que sucede después de un poco de evolución cósmica, lo que nos permite inferir cuándo las estrellas se deben haber formado en gran abundancia. Crédito de la imagen: Nicole Rager Fuller / National Science Foundation
Por primera vez, podemos inferir con éxito la existencia de galaxias cientos de millones de años antes de lo que podemos detectarlas directamente. Estamos más cerca que nunca de responder la pregunta de cuándo surgieron las primeras estrellas y galaxias de la oscuridad del Universo temprano. Y cuando el Telescopio Espacial James Webb se lance en 2020, sabremos exactamente qué esperar en términos de las respuestas a una de las preguntas cósmicas más importantes de todas.
El astrofísico y autor Ethan Siegel es el fundador y escritor principal de Starts With A Bang! Sus libros, Treknology y Beyond The Galaxy, están disponibles dondequiera que se vendan libros.
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Comenzó con una explosión El universo está ahí fuera, esperando que lo descubras
En la imagen grande a la izquierda, las muchas galaxias de un cúmulo masivo llamado MACS J1149 + 2223 dominan la escena. Las lentes gravitacionales del cúmulo gigante iluminaron la luz de la galaxia recién descubierta, conocida como MACS 1149-JD, unas 15 veces. En la esquina superior derecha, un acercamiento parcial muestra MACS 1149-JD con más detalle, y un zoom más profundo aparece en la parte inferior derecha. Crédito de la imagen: NASA / ESA / STScI / JHU
Por Ethan Siegel, para Forbes Mayo 17 de 2018
Las opiniones expresadas por Ethan Siegel, colaborador de Forbes son suyas, exclusivamente.
Tan lejos como nuestros telescopios más poderosos nos han permitido observar , nunca hemos encontrado el límite de donde las estrellas y las galaxias dejan de existir. Hay una gran brecha entre la primera galaxia que hemos encontrado — GN-z11 , cuando el Universo tenía solo 400 millones de años — y el resplandor sobrante del Big Bang, desde cuando el Universo tenía 380,000 años de antigüedad. Mientras tanto, sabemos que las primeras estrellas deben estar allí, pero no tenemos las capacidades para ver directamente en ese rango. Hasta que obtengamos el Telescopio Espacial James Webb, solo tendremos evidencia indirecta para guiarnos.
A medida que exploramos más y más el Universo, podemos mirar más lejos en el espacio, lo que equivale a retroceder en el tiempo. El Telescopio Espacial James Webb nos llevará a profundidades, directamente, que nuestras instalaciones de observación actuales no pueden igualar. Crédito de la imagen: equipos de NASA / JWST y HST
Pero en lo que respecta a la evidencia indirecta, simplemente recibimos un gran impulso. Los científicos acaban de confirmar la segunda galaxia más distante de todas: MACS1149-JD1 , cuya luz proviene de cuando el Universo tenía 530 millones de años: menos del 4% de su edad actual. Pero lo que es notable es que hemos podido detectar el oxígeno allí , marcando la primera vez que hemos visto este elemento pesado tan atrás. A partir de las observaciones que hemos realizado, podemos concluir que esta galaxia tiene al menos 250 millones de años, empujando la evidencia directa de las primeras estrellas más allá que nunca.
Diagrama esquemático de la historia del universo, destacando la reionización. Antes de que se formaran las estrellas o las galaxias, el Universo estaba lleno de átomos neutros que bloqueaban la luz. Si bien la mayor parte del Universo no se reioniza hasta 550 millones de años después, algunas regiones afortunadas son reionizadas en tiempos mucho más antiguos. Crédito de la imagen: S. G. Djorgovski y otros, Caltech Digital Media Center
De acuerdo con lo que el Universo está hecho: 68% de energía oscura, 27% de materia oscura, 4.9% de materia normal, 0.1% de neutrinos y un poco (~ 0.01%) de radiación, podemos simular cómo y cuándo debería formarse estrellas y galaxias. Como podemos medir las propiedades iniciales que tenía directamente cuando tenía 380 000 años, todo lo que tenemos que hacer es conectar las leyes de la física y evolucionar en el tiempo. Cuando lo hacemos, nuestras mejores simulaciones indican una notable historia de una estructura de red cósmica que se acumula con el tiempo, que culmina en galaxias evolucionadas y grupos / cúmulos de galaxias separadas por vastos espacios cósmicos en este universo en expansión y aceleración.
Si las leyes de la física se sostienen como esperábamos, esperamos que haya un período del Universo, las edades oscuras, en el que la materia se está atrayendo gravitatoriamente a estas regiones excesivamente densas, pero que aún no se ha colapsado ni contraído lo suficiente como para formar estrellas. Las primeras estrellas pueden tardar entre 50 millones y 200 millones de años en formarse, y luego, después, grandes cantidades de formación de estrellas deberían suceder a la vez. Los cúmulos de estrellas más pequeños se fusionarán en otros más grandes y, finalmente, en proto-galaxias: los bloques de construcción de las galaxias que vemos hoy en día. Eventualmente, unos 550 millones de años después del Big Bang, se habrán formado suficientes estrellas para que el Universo sea liberado de sus átomos neutros que bloquean la luz, y podremos ver todo con un telescopio óptico lo suficientemente potente.
La impresión de un artista del entorno en el Universo temprano después de que los primeros trillones de estrellas se formaron, vivieron y murieron. La existencia y el ciclo de vida de las estrellas es el proceso primario que enriquece al Universo más allá de simplemente hidrógeno y helio, mientras que la radiación emitida por las primeras estrellas la hace transparente a la luz visible. Todavía no hemos podido ver directamente una población de estas primeras estrellas. Crédito de la imagen: NASA / ESA / ESO / Wolfram Freudling et al. (CCTEP)
¿Pero cuándo se activaron estas primeras estrellas, en serio? ¿Cuáles son sus propiedades y cómo son diferentes de las estrellas actuales? ¿Qué tan rápido se agotan, y cuándo se forman las primeras estrellas con planetas rocosos y / o los ingredientes potenciales para la vida? ¿Y hay una región del espacio preferida donde todo esto sucede?
Hasta este momento, hemos podido volver a unos 400 millones de años después del Big Bang a través de los grandes observatorios de la NASA, encontrando galaxias jóvenes que ya están bastante evolucionadas. Indirectamente, hemos podido medir, muy recientemente, una firma específica que señala que las estrellas se formaron incluso antes : cuando el Universo tenía entre 180 y 260 millones de años. Pensamos que iban a necesitar esperar hasta que el Telescopio Espacial James Webb apareciera para confirmar esto.
La enorme 'inmersión' que se ve en el gráfico aquí, resultado directo de un estudio reciente de Bowman et al. (2018), muestra la señal inequívoca de emisión de 21 cm desde cuando el Universo tenía entre 180 y 260 millones de años de edad. Esto corresponde, creemos, al encendido de la primera ola de estrellas y galaxias en el Universo. Con base en esta evidencia, el comienzo del "amanecer cósmico" comienza con un corrimiento al rojo de 22 o más. Crédito de la imagen: J.D. Bowman et al., Nature, 555, L67 (2018)
Pero un nuevo estudio, publicado el 16 de mayo de 2018 en Nature, nos acaba de dar la confirmación de que necesitamos que las estrellas, de hecho, existan en esos primeros tiempos. Hay una serie de galaxias candidatas ultra distantes: galaxias cuyos colores ultra rojos (o incluso infrarrojos) indican que probablemente estén muy lejos. Pero hasta que se confirmen estas distancias, existe la posibilidad de que sean simples intrusos. De hecho, a principios de esta semana, se demostró que una de las galaxias candidatas más tempranas era exactamente tal intruso; esto sucede con frecuencia y pone de relieve por qué exigimos confirmación.
El impresionante enorme cúmulo de galaxias MACS J1149.5 + 223, cuya luz tardó más de 5 mil millones de años en llegar a nosotros, fue el objetivo de uno de los programas de Hubble Frontier Fields. Este objeto masivo enfoca gravitacionalmente los objetos que están detrás de él, estirándolos y amplificándolos, y nos permite ver más recónditos recovecos de las profundidades del espacio que en una región relativamente vacía. Crédito de la imagen: NASA, ESA, S. Rodney (Universidad John Hopkins, EE. UU.) Y el equipo de FrontierSN; T. Treu (Universidad de California, Los Ángeles, EE. UU.), P. Kelly (Universidad de California, Berkeley, EE. UU.) Y el equipo de GLASS; J. Lotz (STScI) y el equipo de Frontier Fields; M. Postman (STScI) y el equipo de CLASH; y Z. Levay (STScI)
Pero la galaxia MACS1149-JD1 se confirmó que estaba tan lejos como habíamos pensado, por lo que es la segunda galaxia más distante jamás vista. Y dentro de eso, no solo encontramos los ingredientes que esperamos que tengan las primeras estrellas: hidrógeno y helio. El oxígeno también estaba allí, y si bien es el tercer elemento más abundante en el Universo, el oxígeno no se creó en el Big Bang, sino solo después de que las primeras generaciones de estrellas mueren y mueren.
Los restos de supernova (L) y las nebulosas planetarias (R) son ambas maneras en que las estrellas reciclan sus elementos quemados y pesados en el medio interestelar y la próxima generación de estrellas y planetas. Las primeras estrellas verdaderamente prístinas deben haber sido creadas antes de que las supernovas, las nebulosas planetarias o las fusiones de estrellas de neutrones contaminen el medio interestelar con elementos pesados. La detección de oxígeno en esta galaxia ultra-distante, junto con el brillo de la galaxia, nos dice que ya tiene cientos de millones de años. Crédito de la imagen: ESO / Very Large Telescope / FORS instrument & team (L); NASA, ESA, C.R. O'Dell (Vanderbilt) y D. Thompson (Large Binocular Telescope) (R)
La firma infalible de oxígeno y el brillo observado de la galaxia, así como las firmas de hidrógeno que ayudaron a determinar con precisión su distancia, se observaron mediante una combinación de cuatro observatorios distantes: ALMA, VLT de ESO, Hubble y Spitzer. El brillo indica que la galaxia ha estado formando estrellas durante algún tiempo, ya que requiere acumulación con el tiempo para alcanzar los niveles observados. Esto crea una imagen del amanecer cósmico para esta galaxia que es consistente con todo lo demás conocido: donde las primeras estrellas que se crearon para construir esta galaxia se formaron solo 250 millones de años después del Big Bang.
Toda nuestra historia cósmica es teóricamente bien comprendida, pero solo cualitativamente. Es al confirmar observacionalmente y revelar varias etapas en el pasado de nuestro Universo que deben haber ocurrido, como cuando se formaron las primeras estrellas y galaxias, que realmente podemos llegar a comprender nuestro cosmos. El Big Bang establece un límite fundamental de cuán atrás podemos ver en cualquier dirección. Crédito de la imagen: Nicole Rager Fuller / National Science Foundation
Esto representa un paso más hacia aguas cósmicas anteriormente inexploradas. Nunca antes habíamos visto una galaxia tan distante con una población confirmada de estrellas maduras dentro de ella. Como Richard Ellis, coautor del nuevo estudio , afirma:
Determinar cuándo ocurrió el amanecer cósmico es similar al "Santo Grial" de la cosmología y la formación de galaxias. Con MACS1149-JD1, hemos logrado explorar la historia más allá de los límites de cuando realmente podemos detectar galaxias con las instalaciones actuales. Hay un optimismo renovado de que nos estamos acercando cada vez más a presenciar directamente el nacimiento de la luz de las estrellas. Dado que todos estamos hechos de material estelar procesado, esto realmente está encontrando nuestros propios orígenes.
Las primeras estrellas y galaxias en el Universo estarán rodeadas por átomos neutros de (principalmente) hidrógeno gaseoso, que absorbe la luz de las estrellas. Todavía no podemos observar esta primera luz estelar directamente, pero podemos observar lo que sucede después de un poco de evolución cósmica, lo que nos permite inferir cuándo las estrellas se deben haber formado en gran abundancia. Crédito de la imagen: Nicole Rager Fuller / National Science Foundation
Por primera vez, podemos inferir con éxito la existencia de galaxias cientos de millones de años antes de lo que podemos detectarlas directamente. Estamos más cerca que nunca de responder la pregunta de cuándo surgieron las primeras estrellas y galaxias de la oscuridad del Universo temprano. Y cuando el Telescopio Espacial James Webb se lance en 2020, sabremos exactamente qué esperar en términos de las respuestas a una de las preguntas cósmicas más importantes de todas.
El astrofísico y autor Ethan Siegel es el fundador y escritor principal de Starts With A Bang! Sus libros, Treknology y Beyond The Galaxy, están disponibles dondequiera que se vendan libros.
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