JADES publica la primera galaxia con z>13 observada por el JWST con NIRCam y confirmada con NIRSpec

Por Francisco R. Villatoro, el 12 diciembre, 2022. Categoría(s): Astrofísica • Ciencia • Nature • Noticias • Physics • Recomendación • Science ✎ 7

Las galaxias más lejanas observadas por el telescopio espacial JWST parecen más masivas y más abundantes de lo que predicen los modelos de formación de galaxias. Pero como su desplazamiento al rojo (z) ha sido estimado por el método fotométrico se requiere su confirmación por el método espectrográfico. El telescopio espacial JWST puede realizar ambas tareas, detectar candidatos fotométricos con su cámara NIRCam (Near-Infrared Camera) y confirmarlos con su espectrógrafo NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph). Esta es la labor del proyecto JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey), que publica en arXiv (aparecerá en Nature) la confirmación con NIRSpec de cuatro galaxias con z > 10 observadas con NIRCam. En concreto, JADES-GS-z10-0 con z=10.38, -z11-0 con z=11.58, -z12-0 con z=12.63 y -z13-0 con z=13.20; esta última es la que ostenta el récord actual a galaxia confirmada con su espectro de mayor z, habiendo sido observada cuando el universo tenía unos 350 millones de años. Estas galaxias presentan una tasa de formación de estelar moderada y un tamaño compacto, compatible con lo esperado según los modelo de formación galáctica en el modelo cosmológico de consenso ΛCDM.

Los dos artículos de JADES aparecidos en arXiv se han enviado a Nature, donde seguro que serán aceptados. Puedes disfrutar de ellos en B. E. Robertson, S. Tacchella, …, I. E. B. Wallace, «Discovery and properties of the earliest galaxies with confirmed distances,» arXiv:2212.04480 [astro-ph.GA] (08 Dec 2022), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2212.04480; y Emma Curtis-Lake, Stefano Carniani, …, Lily Whitler, «Spectroscopy of four metal-poor galaxies beyond redshift ten,» arXiv:2212.04568 [astro-ph.GA] (08 Dec 2022), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2212.04568

Como ya te conté, la primera imagen del JWST mostraba candidatos a galaxias con z ~ 20 (LCMF, 27 jul 2022). Estas galaxias ponían en tela de juicio los modelos de formación estelar y de evolución de las galáctica; parecían galaxias demasiado masivas y con una tasa de formación estelar demasiado alta. Por supuesto, aparecieron dudas, pues algunas de las galaxias con z > 12 parecían galaxias con z < 7, pero rodeadas de mucho polvo (LCMF, 04 ago 2022). Además, se habían observado gracias al método fotométrico en imágenes de NIRCam usando la calibración original de este instrumento; una nueva calibración modificó el z fotométrico de muchos de estos candidatos a galaxias, pero no de todos (LCMF, 11 ago 2022). La confirmación de su z por el método espectrográfico parecía imprescindible. Muchos lectores se preguntaban por qué no se usa NIRSpec para confirmar las observaciones de NIRCam, el objetivo científico del proyecto JADES; el problema era, obviamente, la enorme competencia por el uso del JWST entre diferentes grupos de investigadores.

Las observaciones de NIRCam para JADES se iniciaron el 29 de septiembre en la región del cielo llamada GOODS-S (Great Observatories Origins Deep Survey–South), donde el telescopio espacial Hubble (HST) ya había obtenido una imagen de cielo ultraprofundo. Se buscaron candidatos a galaxias de alto z por el método fotométrico en las imágenes de NIRCam del JWST (usando los filtros F182M, F210M, F430M, F460M y F480M entre λ ≈ 0.8 y 5.0 μm) combinadas con las del HST (filtros F435W, F606W, F775W, F814W, F850LP, F105W, F125W, F140W y F160W entre λ ≈ 0.4 y 1.8 μm); de esta forma se obtiene una estimación fotométrica de z mucho más fiable que usando solo las imágenes de JWST. Para los cuatro candidatos fotométricos más fiables se realizaron observaciones con NIRSpec para JADES que se iniciaron el 20 de octubre de 2022. La figura muestra de NIRCam, arriba en rojo y azul, y los resultados de NIRSpec, en negro.

Lo que más me ha llamado la atención es que la estimación espectrográfica del desplazamiento al rojo confirma las estimaciones fotométricas, como muestra esta figura. Por supuesto, el error fotométrico es enorme comparado el espectrográfico. Y además, esta confirmación para estas cuatro galaxias no implica que el método fotométrico sea así de fiable para otras galaxias diferentes. Todo lo contrario, lo que nos indica es que la confirmación espectográfica es imprescindible para extraer conclusiones sobre candidatos a galaxias de alto z.

Usando modelos morfológicos (código forcepho) se ha estimado la masa estelar, log₁₀(M⋆/M⊙) ~ 7.8 − 8.9, tasa de formación estelar, SFR ∼ 1 − 2 M⊙/año, y edad estelar, t⋆ ~ 16 − 71 millones de años,  de las cuatro nuevas galaxias con alto z; la figura muestra las distribuciones de probabilidad de estas estimaciones. Esta masa estelar de estas galaxias es comparable a la de la Pequeña Nube de Magallanes, pero su tasa de formación estelar es unas diez veces mayor. Además, se ha estimado la metalicidad estelar y del gas en estas galaxias, resultando del orden de una décima parte de la metalicidad solar. La estimación de la densidad superficial de formación estelar, Σ(SFR) ≈ 15 − 180 M⊙/año/kpc², similar a los estallidos de formación estelar más vigorosos del universo local.

En resumen, los dos artículos de JADES acabarán publicados en la revista Nature y serán una noticia que cope muchos titulares. Lo que demuestran fuera de toda duda es que NIRCam y NIRSpec eforman una combinación ganadora a la hora de estudiar las primeras galaxias. Seguramente habrá muchas sorpresas en los próximos años gracias a estos dos instrumentos de JWST; NIRCam permitirá seleccionar los mejores candidatos para estudiar con NIRSpec, que confirmará su predicción y ayudará a predecir las propiedades de las galaxias observadas y de sus estrellas. ¿Habrá estrellas de población III en estas galaxias? Quizás; habrá que estar al tanto de futuros estudios que analicen estas galaxias en busca de las primeras señales de dichas estrellas.



7 Comentarios

  1. Francia para cuando se confirmara la distancia de ceers 93316 la galaxia con z=16,4 que antes se pensaba tenia z=16,7 supongo que tendrán que usar a miri para eso?cuales son los candidatos de galaxias con z›17 habrá galaxias con z›20 como dijo el demente de Lerner?

    1. Yo, z es el desplazmiento al rojo de la galaxia, valor que se usa como medida de tiempo; una galaxia tiene z = 13 cuando la luz que nos llega ahora fue emitida cuando el universo era (z+1) = 14 veces más pequeño, es decir, cuando tenía unos 350 millones de años de edad.

  2. Hola Francis. Una pregunta que siempre me surge cuando leo cosas de Z tan alto. Si se supone que el radio del universo decae linealmente con Z, si ahora tiene 40.000 millones de años luz con Z= 13 tendría unos 3.000, cuando el universo tenía tan solo 350 millones de años de antigüedad. Por lo que el universo observable entonces era mucho menor (porcentualmente) que lo que es ahora. Y se supone que la expansión es acelerada. Me imagino que algo no he comprendido bien y me he perdido en el camino… gracias!

    1. Pasa que la mal llamada constante de Hubble no es constante, varía con el tiempo…
      https://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Hubble-Lema%C3%AEtre#Constante_de_Hubble

      Y pasa también que la densidad de materia y de radiación se diluyen a medida que el universo se expande, en cambio la densidad de la energía oscura se mantiene constante.

      Hasta hace unos 6 mil millones de años el efecto gravitacional atractivo de la materia y la radiación había sido el dominante. A partir de entonces el efecto gravitacional repulsivo de la energía oscura ha sido el dominante, y en consecuencia el otrora ritmo decelerado de la expansión pasó a ser acelerado.

      En la primera gráfica de este vídeo…
      https://youtu.be/mXlzJIHPVpo?t=6

      …se aprecia que en la brevísima etapa inflacionaria (abajo a la izquierda) la expansión fue explosiva (la curva azul es casi vertical en sus primeros pixels), seguida por una fuerte deceleración, y luego una expansión aproximadamente constante durante la mayor parte de la historia del universo. El punto de inflexión de hace 6 mil millones de años pasa casi desapercibido, pero la aceleración en la actualidad (en el punto X=0, Y=1) es claramente notoria.

      Y ya que estamos, supongo que no viene nada mal repasar los jugosos conceptos de los siguientes vídeos, ¡no tienen desperdicio! 😉
      https://youtu.be/9udKv1NXm7w?t=7
      https://youtu.be/o3SeqlyQY_k?t=170
      https://youtu.be/W8ymm_1_ruw?t=626

    2. Hola Juan Garrote, recuerda que en la literatura científica, el desplazamiento al rojo se escribe siempre con “z” minúscula. En la época correspondiente a z=13 todas las distancias en el universo eran 1+13=14 veces más pequeñas que en el universo actual, pero no es cierto que entonces “el universo era 14 veces más pequeño”
      El tamaño del universo en cada época, que está definido como “la Distancia al Horizonte de Partículas en esa época” y es llamado comúnmente Radio del Universo Observable, no es ni mucho menos inversamente proporcional a 1+z
      El radio del universo observable en una época determinada, se obtiene integrando la ecuación de Friedman, cuyo resultado, repito no es proporcional 1/(1+z)
      Actualmente, el radio del universo observable es de 46189 millones de años luz. En la época correspondiente a z=13 el universo tenía 328 millones de años de edad y su radio NO era de 46189/14=3299 millones de años luz. Debido a la no linealidad que he explicado, su radio era de 928 millones de años luz.
      En relación a lo que bien te explica el compañero @Pelau, primero quiero comentar que, aunque entiendo y comparto lo que quiere decir, no estoy (amistosamente) muy de acuerdo en la MANERA en que lo dice: no estoy de acuerdo en que sea riguroso afirmar que “la constante de Hubble no es constante”.
      Intento decir lo mismo que él, pero creo, que de forma más rigurosa:
      Al ratio de expansión del universo en cada época, escrito “H” se le debe llamar “Parámetro de Hubble” y como bien dice Pelau es variable en el tiempo, H=H(t) por ejemplo en la época z=13 que estamos tratando aquí era H=1981 (km/s)/Mpc. En z=13 el radio del universo era, como hemos dicho, de 928 Maños luz y el universo se expandía con un parámetro de Hubble 29 veces mayor que el actual.
      El valor del parámetro de Hubble AHORA se abrevia como Ho y se le llama “Constante de Hubble” y naturalmente que es constante, puesto que se trata de una función del tiempo (parámetro de Hubble) evaluada en un tiempo fijo=ahora. Recordad que según la misión Planck:

      H(t=ahora)=Ho=67.66 (km/s)/Mpc

      El resto de lo que te explica @Pelau es correctísimo: la densidad de materia y de radiación disminuyen a medida que el universo se expande, mientras que la densidad de la energía oscura se mantiene constante. Hasta antes de hace unos 6145 millones de años dominó la materia y la expansión era decelerada, no fue sino hasta hace 6145 Maños que la cantidad de energía oscura alcanzó el valor suficiente para revertir la situación y acelerar la expansión del universo. Los detalles de cómo se ha calculado que el punto de inflexión sucedió hace 6145 Maños los puedes encontrar en:

      https://forum.lawebdefisica.com/blogs/alriga/316773-el-inicio-de-la-expansi%C3%B3n-acelerada-del-universo-la-aceleraci%C3%B3n-del-factor-de-escala

      Saludos.

Deja un comentario