JWST encuentra carbono inesperadamente joven

Mar 05, 2024

Este talco para bebés del espacio exterior es inesperadamente rico en carbono.

Por Jon Kelvey | Publicado el 19 de julio de 2023 a las 11:30 a.m.EDT

El universo es un lugar polvoriento. Las partículas cósmicas pueden variar desde el tamaño de una sola molécula grande hasta un poco más grande que un grano de arena terrestre, y pueden acumularse en nubes ondulantes de años luz de ancho. La comprensión científica general era que el polvo se acumula gradualmente, producido por estrellas y supernovas a lo largo de cientos de millones de años. El polvo suele ser un elemento fijo de las galaxias maduras, o eso pensaban los astrónomos.

Pero en un nuevo artículo publicado el miércoles en la revista Nature, los astrónomos encontraron un tipo específico de polvo cósmico, rico en carbono, en galaxias jóvenes y distantes apenas 800 millones de años después del Big Bang. Esa acumulación ocurrió mucho antes de lo que sugieren las teorías actuales sobre la formación de polvo. Es un hallazgo que podría cambiar la forma en que los astrónomos entienden la creación de estrellas y la evolución de las galaxias en el universo primitivo y, en última instancia, cómo ese universo joven creció hasta convertirse en el cosmos que conocemos hoy.

Durante mucho tiempo, los astrónomos trataron las cosas cósmicas de la misma manera que podríamos ver un montón de polvo debajo de un sofá: como una molestia. Los científicos intentaron mirar más allá de las grandes nubes de polvo cósmico, y los trataron más como obstáculos que como objetos de estudio en sí mismos. "La forma en que la mayoría de los astrónomos interactúan con él es que [el polvo] en realidad absorbe gran parte de la luz que estamos tratando de observar", dice el autor principal del estudio, Joris Witstok, investigador postdoctoral del Instituto Kavli de Cosmología de Cambridge. en el Reino Unido.

Pero eso ha cambiado en los últimos años, gracias a observatorios como el Telescopio Espacial James Webb de la NASA, que utiliza luz infrarroja para ver a través de las nubes. Los científicos también han llegado a apreciar el polvo en sí, al darse cuenta de que estas pequeñas partículas de carbono, silicio y otra materia son responsables de procesos a gran escala en el universo, como la formación de nuevas estrellas.

"Por ejemplo, en la Vía Láctea tenemos sitios donde se están formando nuevas estrellas, y son muy polvorientos", dice Witstok. "Hay grandes nubes de gas y polvo y el polvo realmente ayuda a permitir que el gas se enfríe y se contraiga y, por lo tanto, forme nuevas estrellas".

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No es que el universo primitivo no tuviera polvo. Según Witstok, estudios anteriores habían encontrado grandes cantidades de polvo en las galaxias del universo primitivo. Los astrónomos están interesados ​​en este polvo primitivo porque representa el momento en que las estrellas comenzaron a producir algunos de los primeros elementos más pesados ​​que el hidrógeno.

"Las primeras estrellas que comenzaron a convertir hidrógeno en helio, que era lo único que existía al principio, en elementos más pesados ​​como el carbono y el oxígeno", dice Witstok.

Las grandes estrellas primordiales pueden haber expulsado grandes cantidades de polvo, compuesto de estos elementos más pesados, hacia el final de sus ciclos de vida, o durante explosiones de supernovas mientras morían.

Pero estudios anteriores no habían podido detectar polvo carbonoso (es decir, rico en carbono) en momentos tan tempranos.

"Lo que realmente es un nuevo descubrimiento aquí es que podemos identificar el tipo de granos de polvo que estamos viendo", dice Witstok. ”Lo que en realidad podemos decir es que hay algo que produce, específicamente, estos granos de polvo de carbono en un período de tiempo muy corto. Y ahí es donde está la sorpresa”.

Las observaciones espectrográficas del polvo más cercano a la Tierra, dentro de la Vía Láctea, hicieron posible este descubrimiento. La espectroscopia divide la luz en un espectro y busca signos reveladores de luz absorbida en ciertas longitudes de onda asociadas con diferentes elementos y compuestos, algo así como leer un arco iris único.

El polvo carbonoso produce una “protuberancia” espectroscópica a una longitud de onda de 217,5 nanómetros, longitud de onda que lo ubica en la porción ultravioleta del espectro. Al menos, esa es la longitud de onda de la luz cuando salió de su galaxia natal hace miles de millones de años.

"Dado que ha estado viajando durante aproximadamente 13 mil millones de años, mientras el universo se expande, la luz realmente se estira con esa expansión", dice Witstok, un fenómeno conocido como corrimiento al rojo. La luz que era ultravioleta se estira más, de modo que la longitud de onda (alrededor de 1,5 a 2 micrómetros) ahora está en el infrarrojo, la parte del espectro que JWST está sintonizado para medir.

"Es exactamente por eso que no podíamos hacer esto antes", dice Witstok. "Porque con JWST, ahora podemos por primera vez mirar y realizar estas mediciones tan precisas en el infrarrojo".

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Ahora que los investigadores han medido este polvo carbonoso en un momento anterior al esperado en el universo, les queda intentar descubrir qué proceso podría estar produciéndolo. Hay dos teorías, afirma Witstok, aunque ninguna de ellas es perfecta.

La primera es que las supernovas en las galaxias tempranas producen polvo, y las estrellas moribundas expulsan el material antes de su ardiente agonía final. Pero el problema, afirma, es que las fuerzas violentas desatadas por las supernovas también podrían destruir gran parte de ese polvo.

Otra fuente de polvo podrían ser las estrellas Wolf-Rayet, estrellas masivas, calientes y de combustión rápida que pueden expulsar una gran parte de su masa al espacio en menos de un millón de años. "Pero nuevamente, la pregunta es ¿cuánto pueden producir realmente?". dice Witstok. "¿Es suficiente para explicar lo que estamos viendo en el universo temprano?"

Witstok y sus colegas esperan responder esas preguntas con simulaciones por computadora. Los teóricos pueden intentar modificar los modelos de supernovas y estrellas Wolf-Rayet para intentar encontrar las condiciones que producen el polvo carbonoso observado en las observaciones del JWST.

Y otras observaciones de las galaxias primitivas también pueden arrojar respuestas, afirma. "Podríamos empezar a observar lo que podrían ser indicios de un número inusual de estrellas Wolf-Rayet dentro de esas galaxias, por ejemplo".

Lo que sea que esté impulsando la creación de polvo carbonoso en el universo primitivo puede contener pistas para comprender cómo evolucionaron las galaxias en el universo más reciente, y también cómo se forman las estrellas y los planetas. "El polvo es un componente realmente clave de cómo evolucionan las galaxias", dice Witstok. “El hecho de que ahora estemos empezando a ver más y más evidencia de su formación muy temprana nos dice que tal vez esta evolución esté ocurriendo más rápidamente de lo que pensábamos anteriormente. Eso tiene un efecto en cadena, en el futuro, sobre cómo llegar al presente”.