La primera galaxia confirmada con z >14 observada por el telescopio JWST

Por Francisco R. Villatoro, el 7 junio, 2024. Categoría(s): Astrofísica • Física • Noticias • Physics • Science ✎ 11

Uno de los grandes objetivos del telescopio espacial JWST es observar galaxias con desplazamiento al rojo z ≈ 14. Hasta ahora, la galaxia confirmada por espectrografía más temprana era JADES-GS-z13-0, con z = 13.2 (LCMF, 12 dic 2022), aunque son más famosas GN-z11 (z = 10.6) y GLASS-z12 (z = 12.12). Se publican dos artículos en arXiv sobre el nuevo récord, la galaxia JADES-GS-z14-0, con z = 14.32; que en realidad tiene 14.12 < z < 14.40 al 68 % CL (14.32+0.08−0.20), lo que implica 13.92 < z < 14.48 al 95 % CL. Se han estudiado con el espectrógrafo NIRSpec tres candidatos a galaxias z > 14 de la campaña JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey) en el campo GOODS-S (Great Observatories Origins Deep Survey–South field); sus desplazamientos al rojo fotométricos eran z = 14.36 (JADES-GS-z14-1), z = 14.44 (JADES-GS-53.10763-27.86014) y z = 14.51 (JADES-GS-z14-0). Por desgracia, la relación señal-ruido en NIRSpec para el segundo candidato ha sido insuficiente para confirmarla con su espectro; para el primer candidato (JADES-GS-z14-1) se ha estimado z = 13.90 ± 0.17. Por cierto, se observan en 2.89 μm indicios a 3.6 sigmas de significación de la línea espectral de emisión CIII]λλ1907,1909, lo que implica z = 14.178 ± 0.013 para JADES-GS-z14-0. Así que el nuevo récord del JWST tendría z = 14.2 (a pesar de que en todos los medios destacan que tiene z = 4.32).

En las imágenes de NIRCam la galaxia GS-z14-0 se observa junto a una galaxia de primer plano, también observada con NIRSpec, z = 3.475. La comparación entre sus espectros indica que no induce ninguna contaminación apreciable en el espectro de GS-z14-0. Además, se estima que su efecto como lente gravitacional, como mucho, amplificaría la luz de GS-z14-0 en un factor de 1.2. Las dos nuevas galaxias confirmadas con z ≈ 14 se observan cuando el universo tenía unos 300 millones de años. Son dos galaxias pequeñas con estrellas jóvenes de muy baja metalicidad, de solo unos 100 millones de años. En concreto, GS-z14-0 tiene un radio (en el ultravioleta) de 260 ± 20 pc y GS-z14-1 un radio menor de 160 pc; este valor debe ser comparado con la Vía Láctea, cuyo radio estelar es de unos 15 kpc (la distancia entre el Sol y Sgr A* es de 8 kpc), luego son entre 50 y 100 veces más pequeñas. Se descarta que haya un núcleo galáctico activo (AGN) en ambas galaxias que contribuya de forma significativa a su luminosidad. Más aún, el espectro de GS-z14-1 se puede ajustar por una ley de potencias con índice β = −2.71 ± 0.19, cuando debería tener un valor β =−2.3 para estar dominada por un AGN. En el caso, de GS-z14-0 se obtiene β = −2.20 ± 0.07, pero se descarta que esté dominada por un AGN por otras razones.

En mi opinión, lo más relevante es que varias características de estas galaxias con z ≈ 14 son muy diferentes de las observadas en galaxias con z ≈ 6, que son la referencia usada hasta el momento para interpretar las observaciones. Este nuevo éxito del JWST, cuando la estadística de galaxias confirmadas con z > 10 sea suficiente, nos permitirá mejorar los modelos de formación galáctica, lo que impactará en los libros de texto de astrofísica. Los dos artículos publicados son Stefano Carniani, Kevin Hainline, …, Christopher N. A. Willmer, «A shining cosmic dawn: spectroscopic confirmation of two luminous galaxies at z∼14,» arXiv:2405.18485 [astro-ph.GA] (28 May 2024), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2405.18485; y Jakob M. Helton, George H. Rieke, …, Yongda Zhu, «JWST/MIRI photometric detection at 7.7 μm of the stellar continuum and nebular emission in a galaxy at z>14,» arXiv:2405.18462 [astro-ph.GA] (28 May 2024), doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2405.18462. Más información divulgativa en «NASA’s James Webb Space Telescope Finds Most Distant Known Galaxy,» JWST NASA, 30 May 2024.

Si comparas el espectro de NIRSpec de GS-z14-1 (z ≈ 13.9) con el de GS-z14-0 (z ≈ 14.2) puedes observar que tiene una intensidad un tercio menor (en parte porque es mucho menos luminosa que GS-z14-1 al tener un tamaño mucho menor). Por ello, el perfil del corte de Lyman (Lyman Break), que para estas galaxias se desplaza desde el ultravioleta hasta el infrarrojo, tiene una pendiente más difícil de estimar, de ahí la mayor incertidumbre en la estimación de su desplazamiento al rojo z. También influye en que no se hayan podido observar líneas de emisión, cuya presencia se excluye a 3 sigmas.

El espectro NIRSpec del tercer candidato estudiado es compatible con ruido (por ello mantiene su nombre posicional JADES-GS-53.10763-27.86014). Este candidato a galaxia con z ≈ 14 no tiene intensidad suficiente para ser observado con NIRSpec. Gracias a ello se ha reestimado su desplazamiento al rojo fotométrico a z = 14.6 (antes era z = 14.44), pero hay que ser muy cautos con este valor (pues la fotometría suele sobreestimar a la espectrografía).

Volviendo a la gran protagonista de los artículos, JADES-GS-z14-0, ha sido observada con MIRI en el infrarrojo medio a 7.7 μm (FW770W). Se observa un exceso de emisión de F770W (MIRI) respecto a F444W (NIRCam) que se interpreta como debido a una combinación de las líneas de emisión del hidrógeno Hβ (línea beta de Balmer entre los niveles n = 4 y n = 2, que está en el visible, en el color azul para z = 0) y del oxígeno ionizado tres veces [OIII]λλ4959, 5007 (que también está en el visible). No es fácil estimar cuál de las dos contribuye más, pero se ha usado un modelo específico (BAGPIPES) que permite estimar su cociente [OIII]/Hβ = 2.5+0.9−0.6; (aunque con otros parámetros en el mismo modelo se obtiene [OIII]/Hβ = 1.9+2.6−0.7). Lo relevante es que este valor es muy diferente del valor [OIII]/Hβ ≈ 6 típico de las galaxias con z ≈ 8. Por supuesto, hay que tener mucho cuidado con estas estimaciones, pues se basan en un único punto (como muestra la figura, a la derecha).

Las dos galaxias con z ≈ 14 observadas tienen características muy diferentes a las galaxias con z ≈ 6, que son las que se suelen usar como referencia en muchos estudios de formación galáctica. Estas grandes diferencias implican que las galaxias evolucionan muy rápido en los 600 millones de años que diferencian z ≈ 14 y z ≈ 6. Los puntos azules son las galaxias candidatas con z > 8 identificadas por el proyecto JADES en los campos GOODS-S (sur) y GOODS-N (norte); se llaman candidatas porque su desplazamiento al rojo z se ha estimado de forma fotométrica con NIRCam. Los cuadrados rojos son las galaxias con desplazamiento al rojo confirmado por espectrografía con NIRSpec (el pentágono rojo es la galaxia GLASS-z12, aquí llamada GHZ2, del catálogo GLASS). Las tres galaxias z ≈ 14 estudiadas aparecen dentro de un círculo negro.

Para acabar me gustaría destacar de nuevo que se descarta que GS-z14-0 y GS-z14-1 estén dominadas en el ultravioleta por un AGN. Este resultado parece sugerir que la evolución temprana de estas galaxias no está dominada por la actividad de su agujero negro supermasivo (SMBH). Aunque hay que interpretar este resultado con cuidado, pues el AGN podría estar oscurecido en el ultravioleta. La causa podría ser la orientación del agujero negro, la presencia de grandes cantidades de polvo y gas interestelar, o una combinación de ambos. Hasta que no haya una estadística más amplia de galaxias con z ≈ 14 no se podrá inferir el impacto de estas observaciones en la coevolución temprana de galaxias y agujeros negros supermasivos.



11 Comentarios

    1. Oscar, te refieres a la velocidad relativa de las galaxias lejanas respecto a nosotros, que aparenta superar la velocidad de la luz en el vacío (como la «velocidad» de tu vista al recorrer el diámetro de la Luna con la mirada).

      1. No Francis, la pregunta a la que creo que se refiere es la siguiente. Supón que tenemos una cinta métrica con uno de los extremos fijo en la Vía Láctea y el otro de los extremos fijo en la galaxia Z14. Y los extremos los atamos a cada una de las galaxias en instantes breves posteriores al Big Bang. Si entiendo que me dirás que todavía no se habían formado las galaxias, pero es evidente que sí existían sus semillas materiales, pues ninguna de las dos galaxias ha surgido de la nada supongo. Evidentemente, tenemos que estar añadiendo cinta métrica de forma continua si queremos mantener las dos galaxias unidas a lo largo de la evolución cosmológica del Universo. Supongamos dos referenciales, uno R que se encuentra fijo con respecto a la galaxia Vía Láctea entonces ¿Se puede medir desde R la cantidad de cinta métrica que hay que añadir por unidad de tiempo para mantener las dos galaxias unidas? En el caso de ser así, ¿Cuál es la velocidad VR (longitud/tiempo) de añadido de cinta métrica en R? Ahora supongamos un sistema de referencia R’ solidario con la galaxia Z’. ¿Se puede medir desde R’ la cantidad de cinta métrica que hay que añadir por unidad de tiempo para mantener las dos galaxias unidas? En el caso de ser así, ¿Cuál es la velocidad VR’ (longitud/tiempo) de añadido de cinta métrica en R’?

        1. El Cid, «una cinta métrica [entre] Vía Láctea y [la] galaxia Z14». La teoría de la relatividad prohíbe la existencia de objetos sólidos con tales características en z = 0. Y por supuesto, un objeto «sólido» que una el futuro (z=0) y el pasado (z=14) es del todo imposible. «Tenemos que estar añadiendo cinta métrica de forma continua…» Esto es una chorrada. No tiene ningún sentido físico. «¿Se puede medir …» No existe ningún método de medida posible pues involucraría señales luminosas que se mueven durante decenas de miles de años luz. «¿Cuál es la velocidad…» Otra chorrada sin sentido. No tiene ningún sentido físico. Estas preguntas no tienen ningún sentido.

          Recuerda, el concepto de velocidad es local. No existe un concepto global de velocidad en relatividad (más allá de que la velocidad de la luz en el vacío es constante). Hablar de velocidad en el contexto de estas preguntas no tienen ningún sentido. El Cid, necesitas el tiempo absoluto de la física newtoniana y la propagación de señales a velocidad infinita para dar sentido a tus preguntas, y a sus potenciales respuestas. Todo ello es un sinsentido en la física del último siglo.

          1. Entonces si no tiene sentido hablar de velocidad como algo materialmente medible tampoco tiene sentido hablar de expansión del universo. No se crea nada entre nosotros y la galaxia Z14. La expansión del universo que nos proponen en innumerables charlas de divulgación ciémntifica también es una chorrada y por lo tanto, que sentido tiene el Big Bang. Ninguno tampoco. La física teórica actual tal y como la presentáis o bien es matemática pura o bien es que no se entiende nada. Seamos sinceros.

          2. Cid, para que entiendas parte el error que cometes, tu mismo has dicho «me dirás que todavía no estaban formadas esas galaxias», cosa que es correcta y no es trivial.

            Recuerda que si observas algo a z=14 no solo observas algo que está muy lejos en el espacio, también en el tiempo. Unir dos puntos del espacio mediante una cuerda es factible, pero unir dos puntos del espacio-tiempo no.

            Si piensas un poco en ello verás que Francis tiene razón.

          3. Buenas P, te agradezco la respuesta, pero entiende que no puedo estar de acuerdo contigo ni con Francis. Te voy a demostrar un método operacional para medir la distancia entre la galaxia Vía Láctea y la Z14 tal y como se encuentran actualmente. Para ello, vamos a suponer segmentos AB de longitud 1 m. Consideremos un observador O1 que, partiendo de una posición fija de la galaxia Z14, se dirige con una velocidad y dirección adecuada siguiendo el camino más corto hacia la galaxia Vía Láctea. Pues bien, en esta posición fija coloca el origen A del primer segmento, una vez que lo sobrepase, prosigue colocando el origen del segundo segmento A de forma que coincida con el extremo B del primer segmento. Cada vez que se coloca un segmento, se anota. O1 sigue colocando segmentos concatenados hasta que llegue a una posición fija de la Vía Láctea. La distancia D1 medida por O1 será la suma de todos los segmentos colocados por O1 de forma concatenada. Un tiempo después t2 parte un segundo observador O2 desde la misma posición fija en la galaxia Z14 que O1, con la velocidad adecuada y siguiendo el camino más corto hacia la Vía Láctea, de forma que coloca los segmentos AB de la misma longitud 1 m concatenados unos detrás de otros repitiendo el mismo procedimiento. Cuando O2 llegue a la posición fija de la Vía Láctea donde se encuentra O1, habrá medido una distancia D2, ya que ha contado los segmentos que ha colocado de forma concatenada. Pues bien, la velocidad de la Vía Láctea con respecto a la galaxia Z14 es la diferencia de distancias medidas (D2-D1) entre la diferencia de tiempo de partida del observador O2 con respecto a O1, i.e. t2. Luego, en teoría, sí que se puede medir una velocidad entre ambas galaxias, aunque es evidente que no existe la tecnología para hacerlo, pero el concepto de velocidad entre galaxias existe y es real y no importa lo lejos que se encuentren entre sí, ese es mi punto ;-).

    1. Alvaro, el adjetivo «absoluto» no tiene significado en física (relativista); solo se aplica a la física newtoniana. El desplazamiento al rojo cosmológico es un concepto relativista, no existe su análogo newtoniano. Por tanto, no se puede aplicar el adjetivo «absoluto» en este contexto. De hecho, es un concepto relativo al momento actual, que es z = 0.

  1. Z>14 ¡¡ eso es mucho, hay dudas que el JWST esté aún bien calibrado, la posibilidad más lejana de observación del JWST es combinándolo o sumandolo con lente gravitacionales, no se si ¿este es el caso?

    1. Hernán, lo que se esperaba a priori es que JWST lograra observar galaxias con z ~ 14, ¿por qué dudas de la calibración? Por cierto, en la calibración de trabaja de forma continua, porque estos instrumentos envejecen y hay que recalibrarlos de forma periódica. En cuanto a la posibilidad de usar lentes gravitacionales para ir más allá de z ~ 14, como es obvio, nada lo impide, es difícil, pero no es imposible.

Deja un comentario