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El telescopio Webb demuestra que las primeras galaxias transformaron el universo primitivo.

Al poco de generarse el Universo, este estaba compuesto por un plasma caliente, una mezcla de iones y electrones, por lo que no era transparente. Una vez que el Universo se hubo enfriado lo suficiente, unos 400 000 años después del Big Bang, se formaron los primeros átomos, principalmente hidrógeno y helio. Es lo que se llama época de la recombinación.

Estos átomos se agruparon a partir de entonces en inmensas nubes bajo la gravedad y habrían formado las estrellas de la Población III, las primeras estrellas. Sin el obstáculo de la competencia de otras, estas estrellas crecieron hasta alcanzar tamaños enormes dentro de estos grupos, al menos cientos o incluso miles de veces más masivas que nuestro Sol.

Esto significa que las primeras estrellas tenían una vida muy corta y explotaban como supernovas en unos pocos millones de años, por lo que pronto se formó la siguiente generación de estrellas y las primeras galaxias.

Las explosiones de supernovas fueron vitales porque liberaron elementos más pesados que se habían formado dentro de las estrellas, como el oxígeno y el carbono, que dieron lugar a estrellas de la Población II y, más tarde, a las estrellas de la Población I como nuestro Sol e incluso a planetas como la Tierra. Estos elementos más pesados fueron fundamentales para que se diera la vida.

Todavía no hemos visto pruebas definitivas de las estrellas de la Población III, que es una pieza que falta en nuestra comprensión de la historia del Universo. Pero estas primeras estrellas y sus sucesoras jugaron un papel importante hace más de 13 mil millones de años, durante la Era de la Reionización. En ese momento el Universo era un lugar muy diferente. El gas entre las galaxias era en gran parte opaco a la luz, lo que dificulta la observación de las galaxias jóvenes.

Ahora un equipo dirigido por Simon Lilly (ETH Zürich) ha encontrado, gracias al JWT, pruebas de que las galaxias que existieron 900 millones de años después del Big Bang ionizaron el gas a su alrededor. También usaron el Webb para medir con precisión el gas alrededor de las galaxias, identificando que las «burbujas» de gas ionizado tienen un radio de 2 millones de años luz alrededor de las pequeñas galaxias. Durante los siguientes cien millones de años, las burbujas se hicieron cada vez más grandes, hasta fusionarse y hacer que todo el Universo se volviera transparente.

En el universo primitivo, el gas entre las estrellas y las galaxias era opaco: la luz estelar no podía penetrarlo. Pero mil millones de años después del Big Bang, el gas se había vuelto completamente transparente.

Estos resultados son los más recientes sobre un período de tiempo conocido como la Era de la Reionización, cuando el Universo experimentó cambios dramáticos. Después del Big Bang, el gas en el Universo era increíblemente caliente y denso. Durante cientos de millones de años, el gas se enfrió. Luego, el gas volvió a calentarse e ionizarse debido a la formación de las primeras estrellas en las galaxias y durante millones de años se volvió transparente. Los investigadores han buscado durante mucho tiempo pruebas para explicar estas transformaciones. Los nuevos resultados aclaran este período.

«Webb no solo muestra claramente que estas regiones transparentes se encuentran alrededor de las galaxias, sino que también hemos medido su tamaño. Con los datos de Webb, estamos viendo que las galaxias reionizan el gas que las rodea», explica Daichi Kashino (Universidad de Nagoya).

Estas regiones de gas transparente son gigantes en comparación con las galaxias. Si estas regiones fueran un globo aerostático, una galaxia tendría el tamaño de un guisante suspendido en el centro. Los datos de Webb muestran que estas galaxias relativamente pequeñas impulsaron la reionización, limpiando regiones masivas de espacio a su alrededor. Durante los siguientes cien millones de años, estas «burbujas» transparentes continuaron creciendo más y más. Finalmente se fusionaron e hicieron que todo el Universo se volviera transparente.

El equipo de investigadores apuntó intencionalmente a un momento justo antes del final de la Era de la Reionización, cuando el Universo tenía solo 900 millones de años. En ese momento, el Universo no era del todo claro ni del todo opaco y contenía un mosaico de gas en varios estados. Los científicos apuntaron el telescopio en la dirección de un cuásar, un agujero negro supermasivo activo extremadamente luminoso que actúa como una enorme linterna, destacando el gas entre el cuásar y nuestros telescopios. Combinaron imágenes convencionales de la NIRCam del Webb con datos de la espectroscopia sin ranuras de campo amplio del mismo instrumento. Este modo modo pudieron obtener un espectro de cada objeto en las imágenes.

A medida que la luz del cuásar viajó hacia nosotros a través de diferentes regiones de gas, fue absorbida por el gas opaco o se movió libremente a través del gas transparente. Al iluminar el gas a lo largo de nuestra línea de visión, el cuásar proporcionó una amplia información sobre la composición y el estado del gas.

Los resultados innovadores del equipo solo fueron posibles al combinar los datos de Webb con las observaciones del cuásar realizadas en tierra por el telescopio Keck en Hawai, el VLT del Observatorio Europeo Austral y el Telescopio Magallanes en el Observatorio Las Campanas, ambos en Chile.

Más tarde, los investigadores utilizaron el telescopio Webb para identificar galaxias cerca de esta línea de visión y demostraron que las galaxias generalmente están rodeadas por regiones transparentes de aproximadamente 2 millones de años luz de radio. En otras palabras, Webb fue testigo de galaxias en el proceso de despejar el espacio a su alrededor al final de la Era de la Reionización. Para poner esto en perspectiva, el área que estas galaxias han despejado es aproximadamente la misma distancia que el espacio entre nuestra galaxia, la Vía Láctea, y nuestro vecino más cercano, Andrómeda. Hasta ahora, los investigadores no tenían pruebas definitivas de lo que causó la reionización.

Según los autores, estas galaxias primitivas son más caóticas que las del universo cercano y en ellas se estaban formando estrellas activamente que debían producir muchas supernovas. La foto general muestra galaxias grumosas, a menudo alargadas.

Además, los datos obtenidos confirmaron que el agujero negro del cuásar en cuestión es el más masivo conocido actualmente del universo primitivo, con un peso de 10 mil millones de veces la masa del Sol. Los científicos todavía no pueden explicar cómo los cuásares pudieron crecer tanto en una etapa tan temprana de la historia del universo.

El equipo pronto realizará el mismo tipo de investigación sobre galaxias en cinco campos adicionales, cada uno anclado por un cuásar central. Los resultados de Webb del primer campo fueron tan abrumadoramente claros que no podían esperar para publicarlos, pero esperan identificar más galaxias que existieron durante la Era de la Reionización, quizás unas pocas docenas.

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Fuentes y referencias:
Artículo original 1.
Artículo original 2.
Artículo original 3.
Preprint en ArXiv.
Gráfico: NASA, ESA, CSA, Joyce Kang (STScI)
Fotos: NASA, ESA, CSA, Simon Lilly (ETH Zürich), Daichi Kashino (Nagoya University), Jorryt Matthee (ETH Zürich), Christina Eilers (MIT), Rob Simcoe (MIT), Rongmon Bordoloi (NCSU), Ruari Mackenzie (ETH Zürich), Alyssa Pagan (STScI) y Ruari Macke.