Webb de la NASA para descubrir las riquezas del universo primitivo

Durante décadas, los telescopios nos han ayudado a capturar la luz de las galaxias que se formaron hace 400 millones de años después del Big Bang, increíblemente temprano en el contexto de los 13.800 millones de años de historia del universo. Pero, ¿cómo eran las galaxias que existían incluso antes, cuando el universo era semitransparente al comienzo de un período conocido como la Era de la Reionización? El próximo observatorio insignia de la NASA, el Telescopio Espacial James Webb, está preparado para agregar nuevas riquezas a nuestro acervo de conocimientos, no solo al capturar imágenes de galaxias que existieron ya en los primeros cientos de millones de años después del Big Bang, sino también al brindarnos datos detallados conocidos como espectros. Con las observaciones de Webb, los investigadores podrán contarnos por primera vez sobre la composición y composición de las galaxias individuales en el universo primitivo.

La Encuesta Pública Exploratoria Extragaláctica Profunda de Próxima Generación (NGDEEP, por sus siglas en inglés), codirigida por Steven L. Finkelstein, profesor asociado de la Universidad de Texas en Austin, se enfocará en las mismas dos regiones que conforman el Campo Ultra Profundo del Hubble: ubicaciones en el constelación de Fornax, donde Hubble pasó más de 11 días tomando exposiciones profundas. Para producir sus observaciones, el telescopio espacial Hubble apuntó a áreas cercanas del cielo simultáneamente con dos instrumentos, ligeramente desplazados entre sí, conocidos como campo primario y campo paralelo. «Tenemos la misma ventaja con Webb», explicó Finkelstein. «Estamos usando dos instrumentos científicos a la vez, y observarán continuamente». Apuntarán el generador de imágenes de infrarrojo cercano y el espectrógrafo sin rendija (NIRISS) de Webb en el campo ultraprofundo del Hubble principal, y la cámara de infrarrojo cercano de Webb (NIRCam) en el campo paralelo, obteniendo el doble de rendimiento por su «dinero» del tiempo del telescopio.

Para las imágenes con NIRCam, observarán durante más de 125 horas. Con cada minuto que pasa, obtendrán más y más información de más y más profundidad en el universo. ¿Qué buscan? Algunas de las primeras galaxias que se formaron. «Tenemos muy buenos indicios del Hubble de que hay galaxias en su lugar en un momento de 400 millones de años después del Big Bang», dijo Finkelstein. «Las que vemos con el Hubble son bastante grandes y muy brillantes. Es muy probable que haya galaxias más pequeñas y más débiles que se formaron incluso antes y que esperan ser encontradas».

Este programa utilizará solo alrededor de un tercio del tiempo que el Hubble ha dedicado hasta la fecha a investigaciones similares. ¿Por qué? En parte, esto se debe a que los instrumentos de Webb fueron diseñados para capturar luz infrarroja. A medida que la luz viaja a través del espacio hacia nosotros, se extiende en longitudes de onda más largas y rojas debido a la expansión del universo. «Webb nos ayudará a superar todos los límites», dijo Jennifer Lotz, coinvestigadora de la propuesta y directora del Observatorio Gemini, parte del NOIRLab (Laboratorio Nacional de Investigación de Astronomía Infrarroja Óptica) de la Fundación Nacional de Ciencias. «Y vamos a publicar los datos de inmediato para beneficiar a todos los investigadores».

Estos investigadores también se centrarán en identificar el contenido de metal en cada galaxia, especialmente en las galaxias más pequeñas y más tenues que aún no se han examinado a fondo, específicamente con los espectros que ofrece el instrumento NIRISS de Webb. «Una de las formas fundamentales en que rastreamos la evolución a través del tiempo cósmico es por la cantidad de metales que hay en una galaxia», explicó Danielle Berg, profesora asistente en la Universidad de Texas en Austin y coinvestigadora de la propuesta. Cuando comenzó el universo, solo había hidrógeno y helio. Los nuevos elementos fueron formados por sucesivas generaciones de estrellas. Al catalogar los contenidos de cada galaxia, los investigadores podrán trazar con precisión cuándo existieron varios elementos y actualizar los modelos que proyectan cómo evolucionaron las galaxias en el universo primitivo.

Pelar nuevas capas

Otro programa, dirigido por Michael Maseda, profesor asistente de la Universidad de Wisconsin-Madison, examinará el campo ultraprofundo del Hubble primario utilizando la matriz de microobturadores dentro del espectrógrafo de infrarrojo cercano de Webb (NIRSpec). Este instrumento devuelve espectros para objetos específicos dependiendo de qué persianas en miniatura abran los investigadores. «Estas galaxias existieron durante los primeros mil millones de años en la historia del universo, de los cuales tenemos muy poca información hasta la fecha», explicó Maseda. «Webb proporcionará la primera gran muestra que nos dará la oportunidad de comprenderlos en detalle».

Sabemos que estas galaxias existen debido a las extensas observaciones que este equipo ha realizado, junto con un equipo de investigación internacional, con el instrumento MUSE (Multi Unit Spectroscopic Explorer) del Very Large Telescope basado en tierra. Aunque MUSE es el «explorador», que identifica galaxias más pequeñas y débiles en este campo profundo, Webb será el primer telescopio en caracterizar completamente sus composiciones químicas.

Estas galaxias extremadamente distantes tienen implicaciones importantes para nuestra comprensión de cómo se formaron las galaxias en el universo primitivo. «Webb abrirá un nuevo espacio para el descubrimiento», explicó Anna Feltre, investigadora del Instituto Nacional de Astrofísica de Italia y coinvestigadora. «Sus datos nos ayudarán a saber con precisión qué sucede a medida que se forma una galaxia, incluidos los metales que contienen, la rapidez con la que crecen y si ya tienen agujeros negros».

Esta investigación se llevará a cabo como parte de los programas de Observador General (GO) de Webb, que se seleccionan de forma competitiva mediante una revisión anónima dual, el mismo sistema que se utiliza para asignar el tiempo en el Telescopio Espacial Hubble.