El JWST observa el espectro de la galaxia GN-z11 estimando su z = 10.6034 ± 0.0013

Por Francisco R. Villatoro, el 15 febrero, 2023. Categoría(s): Astrofísica • Física • Noticias • Physics • Science ✎ 10

La galaxia más lejana observada por el telescopio espacial Hubble se llama GN-z11, pues se observó en el campo GOODS-North con desplazamiento al rojo fotométrico de z = 11.1 (la vemos cuando el universo tenía  unos 400 millones de años). El espectroscopio NIRSpec del telescopio espacial James Webb ha estimado un desplazamiento al rojo espectrométrico de z = 10.6034 ± 0.0013 (cuando el universo tenía unos 430 millones de años). Se observan múltiples líneas de emisión, como las habituales [O ii] 3727, [Ne iii] 3869, y [C iii] 1909, y las raras [N iv] 1486 y [N iii] 1748, que implican una alta ionización. Su origen puede ser la actividad de su agujero negro supermasivo (núcleo galáctico activo) o una alta tasa de formación estelar (que en su caso se estima en ∼ 20–30 M☉/yr, masas solares por año).

El proyecto JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey) también publica las observaciones obtenidas con NIRCam (que incluye una estimación del desplazamiento al rojo fotométrico de 10.60). Se estima que GN-z11 tiene una masa estelar de ∼10⁹ M☉, con una tasa de formación estelar de ∼20 M☉/yr y una población estelar joven con una edad media de ∼20 Myr. También se observa que su núcleo es muy compacto. Los modelos de formación galáctico predicen que este tipo de galaxias tienen que observarse en cúmulos galácticos compactos; en las imágenes de JWST se obervan 9 galaxias débiles cercanas (a menos de ∼5 Mpc) con desplazamientos al rojo fotométricos coherentes con z=10.6. Su futura observación espectroscópica seguro que nos ofrecerá mucha información relevante.

El descubrimiento de GN-z11 se publicó en 2016 (Astrophysical Journal). GN-z11 fue noticia en octubre de 2021 gracias a un brote de rayos gamma (GRB) de larga duración de 245 segundos (Nature Astronomy) que generó muchas dudas; algunos astrónomos lo consideraron tan improbable que propusieron que un objeto artificial (un satélite) era responsable de la señal observada (LCMF, 29 oct 2021). El espectro observado por JWST resuelve la polémica ya que muestra una gran ionización, que bien podría ser producto de la intensa actividad de su agujero negro supermasivo, responsable del GRB observado. Sin lugar a dudas GN-z11 (que puede conservar su nombre ya que 10.6 se redondea a 11) es una galaxia temprana mucho más excepcional de lo que se pensaba.

Se han publicado dos nuevos artículos en arXiv (enviados a A&A y ApJ): Andrew J. Bunker, Aayush Saxena, …, Lily Whitler, «JADES NIRSpec Spectroscopy of GN-z11: Lyman-α emission and possible enhanced nitrogen abundance in a z=10.60 luminous galaxy,» arXiv:2302.07256 [astro-ph.GA] (14 Feb 2023), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2302.07256; Sandro Tacchella, Daniel J. Eisenstein, …, Lily Whitler, «JADES Imaging of GN-z11: Revealing the Morphology and Environment of a Luminous Galaxy 430 Myr After the Big Bang,» arXiv:2302.07234 [astro-ph.GA] (14 Feb 2023), doi:
https://doi.org/10.48550/arXiv.2302.07234.

GN-z11 se descubrió en P. A. Oesch, G. Brammer, …, S. P. Willner, «A Remarkably Luminous Galaxy at z=11.1 Measured with Hubble Space Telescope Grism Spectroscopy,» The Astrophysical Journal (ApJ) 819: 129 (08 Mar 2016), doi: https://doi.org/10.3847/0004-637X/819/2/129, arXiv:1603.00461 [astro-ph.GA] (01 Mar 2016). El polémico GRB se publicó en El artículo es Linhua Jiang, Shu Wang, …, Hai-Bin Zhao, «A possible bright ultraviolet flash from a galaxy at redshift z ≈ 11,» Nature Astronomy 5: 262-267 (14 Dec 2020), doi: https://doi.org/10.1038/s41550-020-01266-zarXiv:2012.06937 [astro-ph.HE] (13 Dec 2020); las dudas aparecieron como Matters Arising en dicha revista: Charles Louis Steinhardt, Michael I. Andersen, …, Sune Toft, «A more probable explanation for a continuum flash towards a redshift ≈ 11 galaxy,» Nature Astronomy 5: 993-994 (04 Oct 2021), doi: https://doi.org/10.1038/s41550-021-01473-2arXiv:2101.12738 [astro-ph.HE] (29 Jan 2021); Michał Jerzy Michałowski, Krzysztof Kamiński, …, Edwin Wnuk, «GN-z11-flash from a man-made satellite not a gamma-ray burst at redshift 11,» Nature Astronomy 5: 995-997 (04 Oct 2021), doi: https://doi.org/10.1038/s41550-021-01472-3arXiv:2102.13164 [astro-ph.HE] (25 Feb 2021); y la contestación de los autores Linhua Jiang, Shu Wang, …, Hai-Bin Zhao, «L. Jiang et al. reply,» Nature Astronomy 5: 998-1000 (04 Oct 2021), doi: https://doi.org/10.1038/s41550-021-01474-1.

Esta figura muestra el espectro fotométrico de GN-z11 obtenido en las nueve bandas de NIRCam. Se observa en siete bandas (puntos azules), habiéndose superpuesto en rojo el mejor modelo de Prospector para su espectro.

La imagen de GN-z11 obtenida por NIRCam, como la de cualquier otra galaxia temprana, nos ofrece poco detalle. Sin embargo, se observa una neblina en el noroeste que se descarta que esté asociada a otro objeto de primer plano; quizás está asociada a la actividad de su AGN (eventos pasados similares al GRB observado en 2016). En las imágenes de NIRCam se puede estimar el tamaño del núcleo en la región de radio menor de 0.2 segundos de arco.

La imagen de NIRCam del campo GOODS-North centrada en GN-z11 muestra varias galaxias con desplazamientos al rojo fotométricos entre 9 y 11; se propone como hipótesis que estarían asociadas al cúmulo galáctico donde se formó GN-z11 (algo que estaría de acuerdo con las predicciones de los modelos teóricos para la formación galáctica temprana).

En resumen, las nuevas imágenes y el espectro de GN-z11 obtenido por el JWST nos ofrece información muy relevante sobre las galaxias con desplazamiento al rojo 10 < z < 11. Si bien los resultados parecen compatibles con las expectativas teóricas, sin lugar a dudas un análisis espectral detallado de las galaxias de alto z observadas en este campo ofrecerá información muy relevante con los modelos de formación galáctica en el contexto del modelo cosmológico de consenso. Habrá que estar atentos a los progresos en esta línea en los próximos años.



10 Comentarios

  1. La medida del desplazamiento al rojo de GN-z11 que presenta JADES en su artículo de arxiv de ayer y que comenta aquí Francis es:
    z = 10.6034 +/- 0.0013
    Pero recuerdo que hace 2 años Nature publicó un artículo titulado “Evidence for GN-z11 as a luminous galaxy at redshift 10.957” en el que afirmaba que, basándose en cuidadosas medidas del telescopio Keck de Hawaii, habían obtenido:
    z = 10.957 +/- 0.001
    Fuente: https://www.nature.com/articles/s41550-020-01275-y
    Las barras de error no se superponen, por lo tanto ambas medidas son incompatibles entre si. ¿A qué puede ser debida esta discrepancia?
    Gracias y saludos.

    1. Albert, en el artículo de Nature Astronomy que citas se estimaba el z usando dos líneas de emisión [C iii] 1909 y [O III] 1666, que no estaban del todo claras (aquí tienes la figura https://www.nature.com/articles/s41550-020-01275-y/figures/2); la nueva medida identifica seis líneas de emisión (primera figura de mi pieza), con un perfil simétrico y muy claro. Por tanto, la estimación previa no situaba correctamente el centro de estas líneas de emisión (debido al perfil asimétrico observado).

  2. Cuando dices que obsrvamos la galaxia «cuando el universo tenía unos 400 millones de años», ¿con cuál constante Ho se calcula esa edad? ¿con la medición local?, ¿con la de Planck?, ¿con un promedio?

  3. Hola Jaime, con los valores de Planck:
    Ho = 67.66 (km/s)/Mpc
    Omega materia = 0.3111
    Omega lambda = 0.6889
    Se obtiene:
    t(0) = 13787 Maños
    t(z=11) = 413 Maños

    Si solo cambiamos la constante de Hubble, con los valores:
    Ho = 74 (km/s)/Mpc
    Omega materia = 0.3111
    Omega lambda = 0.6889
    Se obtiene:
    t(0) = 12606 Maños
    t(z=11) = 378 Maños

    Saludos.

  4. OFF TOPIC: Se ha publicado y restringido muchas veces que la Materia Oscura podrían ser agujeros negros, hay muchos posts sobre ello aquí, en La Ciencia de la Mula Francis.
    Pero lo que leo hoy es nuevo, al menos para mí: un grupo de investigadores liderado por astrónomos de la Universidad de Hawaii dice tener evidencias de que los agujeros negros son la fuente de la Energía Oscura. El paper es:
    https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/acb704
    ¿Qué opinas Francis? ¿Merece un artículo aquí?
    Gracias y saludos.

    1. Es que si esto es así, no es que merezca un artículo, merece un premio Nobel. Me intriga la exactitud o veracidad del mecanismo por el cual un agujero negro está conectado con la energía oscura. A ver si Francis es tan amable y saca algo de su multi-tiempo para comentarnos el artículo.

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