Una galàxia distant descoberta pel Webb desafia la cosmologia?

Una galàxia espiral barrada distant descoberta pel James Webb desafia la cosmologia?

Des de fa uns anys, el telescopi espacial James Webb ha estat revelant galàxies distants que van escapar del telescopi Hubble, deixant perplexos els cosmòlegs que es pregunten si podrien ser la punta de l'iceberg d'una revolució en cosmologia. Aquest també és el cas de la galàxia anomenada M1149-BSG-z5, que també està batent rècords

Clic a la imatge per engrandir. NGC 1300, una galàxia espiral barrada. Imatge presa pel Telescopi Espacial Hubble (HST). NGC 1300, situada a 69 milions d'anys llum de distància a la constel·lació d'Eridà, és una d'aquelles galàxies amb una gran barra central. Aquesta barra conté una espiral de 3.300 anys llum de diàmetre. Els gasos de la galàxia són atrets cap a l'interior, cap a la barra, i després cap a l'espiral interior, on alimenten un forat negre. Tanmateix, el centre de la galàxia no està actiu, cosa que suggereix que el forat negre central no està acumulant matèria actualment. La llum de les estrelles i la pols apareix blava. La llum dels cúmuls estel·lars està ressaltada pel vermell de l'hidrogen. Aquesta imatge és una composició de dues imatges preses per la càmera ACS. Crèdit: NASA, ESA i The Hubble Heritage Team STScI AURA 

Un tresor d'imatges del Telescopi Espacial James Webb de la NASA/ESA/CSA presenta retrats en l'infraroig proper i mitjà de 19 galàxies espirals que s'enfronten. Aquesta nova i exquisida sèrie d'imatges mostra estrelles, gas i pols a les escales més petites mai observades més enllà de la nostra pròpia galàxia. Equips d'investigadors estan estudiant aquestes imatges per descobrir els orígens d'aquestes estructures complexes. L'anàlisi col·lectiva de la comunitat investigadora, en última instància, servirà de base per a les simulacions dels teòrics i farà avançar la nostra comprensió de la formació estel·lar i l'evolució de les galàxies espirals. Crèdit: NASA, ESA, CSA, STScI, J. Lee (STScI), T. Williams (Oxford), equip PHANGS, E. Wheatley (STScI), N. Bartmann. Música: Stellardrone - Ascent

Va ser el 1925 que l'astrònom Edwin Hubble va ser el primer a proposar una classificació de galàxies que avui es coneix com la seqüència de Hubble, popularitzada en forma de diagrama en forma de diapasó. Mostrava notablement les galàxies espirals i el·líptiques.

Hubble creia que el seu diagrama il·lustrava l'evolució de les galàxies. La idea bàsica era correcta, però no l'evolució precisa que ell preveia. No obstant això, la seva classificació incloïa, entre altres coses, subdivisions com ara les galàxies espirals barrades.

Clic a la imatge per engrandir. El diagrama de Hubble. Crèdit: Imatge lliure de drets, del text en català: Sci-Bit

Avui, el telescopi espacial James Webb (JWST) ens permet sondejar estrats de llum més profunda de l'Univers que el seu predecessor, el telescopi Hubble, i ens permet observar i incloure a la classificació Hubble galàxies distants les estructures de les quals no eren visibles amb Hubble, a causa de la manca de resolució suficient.

Un equip internacional liderat per Xiaohan Wang de la Universitat de Tsinghua va anunciar a través d'un article d'accés obert a arXiv que havien descobert amb el JWST la galàxia espiral barrada més distant coneguda fins ara.

Clic a la imatge per engrandir. Imatge composta en fals color de M1149-BSG-z5, creada a partir de dades d'imatges JWST adquirides mitjançant els filtres F090W+F115W+F150W (blau), F200W+F277W+F300M (verd) i F356W+F410M+F444W (vermell). La banda de la part inferior esquerra indica la mida angular de la imatge en segons d'arc. Crèdit: Wang et al., 2026.

Una galàxia espiral barrada que no hauria d'existir?

Va ser designat M1149-BSG-z5, té una canvi cap al vermell de 5,1, cosa que la situa a l'Univers primerenc, en un moment proper a l'era de reionització, menys de mil milions d'anys després del Big Bang, el període en què les primeres generacions d'estrelles i els forats negres supermassius darrere dels nuclis actius galàctics alteraven l'estat de l'univers ionitzant l'hidrogen neutre que havia omplert l'espai després del final del Big Bang.

M1149-BSG-z5 sorprèn als astrofísics i cosmòlegs perquè ja és gran i està evolucionada químicament, i conté elements pesants sintetitzats per estrelles massives, per a la data en què s'observa al cosmos.

Sobretot, en aquella època, les distàncies entre galàxies eren més petites i, per tant, les interaccions entre galàxies eren més freqüents que en els darrers mil milions d'anys. Aquestes interaccions poden, a través de la seves forces de marea gravitacionals poden produir una estructura semblant a una barra en el fluid autogravitatori de les estrelles d'una galàxia, però aquestes interaccions també la poden desestabilitzar. Per tant, s'esperava que s'observessin poques galàxies espirals barrades a l'Univers distant.

En resum, com va poder aparèixer una galàxia espiral barrada tan organitzada quan l'Univers encara era tan jove?

Per tant, no se sap ben bé si M1149-BSG-z5, i altres grans galàxies observades primerenques pel JWST, són compatibles amb el Model Cosmològic Estàndard. Hauríem de prescindir de matèria fosca en benefici de la Teoria de Mond, Per exemple?

Ho he vist aquí.

Catàleg Caldwell del Hubble. Objecte C104

Les estrelles de Caldwell 104 tenen un contingut de metalls sorprenentment alt, el que significa que es va formar més recentment del que s'esperava

Clic a la imatge per engrandir. Caldwell 104. Crèdit: ESA/Hubble i NASA.

Aquesta imatge del Hubble captura el que sembla una bomba de purpurina galàctica en el cel nocturn. Els cúmuls estel·lars globulars com Caldwell 104 se solen trobar a l'halo d'una galàxia espiral, que és una zona esfèrica relativament poc poblada que envolta la galàxia com una closca. Són essencials per al naixement i el creixement de les seves galàxies amfitriones.

C104 és un dels uns 150 cúmuls globulars de la galàxia de la Via Làctia, però destaca per sobre de la resta. El cúmul és inusualment jove, com ho indica la seva composició. Després del Big Bang, l'univers només consistia en hidrogen i una mica d'heli. Les primeres estrelles es van formar a partir d'aquest material i, a través del procés de fusió nuclear, van passar la seva vida produint elements més pesants, que els astrònoms anomenen «metalls». Però el procés només pot continuar fins a cert punt abans que les estrelles s'esgotin de combustible o es tornin inestables. En última instància, les estrelles massives estan condemnades a explotar en esdeveniments violents anomenats supernoves, que projecten el seu material a l'espai. Aquest residu estel·lar es recicla en noves generacions d'estrelles, de manera que les estrelles que es formen més tard contenen proporcions més altes de metalls que les seves relatives més antigues.

Els astrònoms han descobert que Caldwell 104 té un contingut de metalls sorprenentment alt, el que significa que es va formar més recentment del que s'esperava. La majoria dels cúmuls globulars són molt més antics que la majoria d'estrelles de la seva galàxia amfitriona, però les estrelles de C104 semblen ser 2.000 a 3.000 milions d'anys més joves que les d'altres cúmuls globulars de la Via Làctia. Els astrònoms han utilitzat el Hubble diverses vegades per investigar la població estel·lar del cúmul jove. Aquesta imatge es va obtenir en llum visible amb la Càmera Avançada per Sondejos (ACS) del Hubble.

 

Descobert des d'Austràlia per l'astrònom escocès James Dunlop el 1826, el C104 no es pot observar des de l'hemisferi nord, excepte a prop de l'equador, però es pot veure durant tot l'any des de les latituds mitjanes del sud a la constel·lació de Tucà, a prop del Petit Núvol de Magalhães. Uns prismàtics o un telescopi modest proporcionaran una imatge una mica tèrbola del cúmul de magnitud 6,4, però un telescopi gran revelarà les estrelles individuals.

C104 a la web de la NASA
Índex del Catàleg Caldwell del Hubble del bloc

La gravetat segueix les regles de Newton i Einstein, fins i tot a escales còsmiques

En rastrejar cúmuls de galàxies separats per centenars de milions d'anys llum, el físic de Penn Patricio Gallardo i els seus col·laboradors descobreixen que les lleis de la gravetat escrites per Newton i Einstein encara es compleixen, deixant pocs dubtes que la matèria fosca invisible existeix.

Clic a la imatge per engrandir.  El fons còsmic de microones, la feble resplendor del Big Bang que omple tot l'espai, passa a través de cúmuls de galàxies massius el moviment dels quals altera lleugerament la llum, cosa que permet als científics mesurar la rapidesa amb què els cúmuls es mouen els uns cap als altres i provar la força amb què la gravetat atrau les distàncies més grans de l'univers. Crèdit: Lucy Reading/Simons Foundation.

Conclusions clau

En la sonda de la gravetat a major escala fins ara, el físic de Penn Patricio Gallardo i els seus col·laboradors van rastrejar el moviment de cúmuls de galàxies distants per comprovar si les lleis de la gravetat encara funcionen a través de les estructures més grans de l'univers. Els resultats mostren que la gravetat es comporta de la mateixa manera a grans escales còsmiques que més a prop de casa, seguint les regles descrites per primera vegada per Isaac Newton i posteriorment refinades per Albert Einstein.

Les troballes desafien teories alternatives que suggereixen canvis de gravetat a grans distàncies. 

L'estudi reforça l'argument que l'univers conté grans quantitats de matèria fosca invisible.

La gravetat, tal com la majoria de la gent l'entén, és la força familiar que atrau una poma que cau cap a la Terra. Però per als astrònoms i els físics teòrics, també és un arquitecte invisible i molest que guia la forma i l'evolució de les estructures còsmiques més grans de l'univers.

Durant dècades, les observacions desconcertants de galàxies que es mouen a una velocitat inusual han obligat cosmòlegs com Patricio A. Gallardo, de la Universitat de Pennsilvània, a revisar els fonaments de la física, explorant, per exemple, si les lleis de la gravetat descrites per Isaac Newton i Albert Einstein s'apliquen realment a tot arreu.

"L'astrofísica s'ha vist afectada per una discrepància enorme en el llibre major còsmic", diu Gallardo. "Quan observem com orbiten les estrelles dins de les galàxies o com es mouen les galàxies dins dels cúmuls de galàxies, algunes semblen viatjar massa ràpid per a la quantitat de matèria visible que contenen". 

Aquesta discrepància obliga a triar entre dues conclusions radicals, explica. O bé l'univers conté concentracions de matèria fosca massiva invisible que proporciona una força gravitatòria addicional o bé cal modificar les equacions fonamentals de la gravetat.

Ara, utilitzant observacions del Telescopi de Cosmologia d'Atacama (ACT), un telescopi d'aproximadament tres a quatre pisos d'alçada desenvolupat per una col·laboració multi-institucional que inclou investigadors de Penn dirigits per Mark Devlin, Gallardo i els seus col·laboradors, han provat la gravetat a través de cúmuls de galàxies separats per centenars de milions d'anys llum, la sonda de gravetat a major escala fins ara. 

Clic a la imatge per engrandir. El Telescopi de Cosmologia Atacama mesura la llum més antiga de l'univers, coneguda com el fons còsmic de microones. Utilitzant aquestes mesures, els científics poden calcular l'edat de l'univers. Crèdit: Debra Kellne

Les seves troballes, publicades a Physical Review Letters, mostren que la força de la gravetat s'afebleix amb la distància gairebé exactament com prediuen les equacions desenvolupades per Newton i posteriorment incorporades a la teoria de la relativitat general d'Einstein.

"És remarcable que la llei de la inversa dels quadrats (proposada per Newton al segle XVII i després incorporada per la teoria de la relativitat general d'Einstein) encara es mantingui vigent al segle XXI", diu Gallardo.

La confirmació que la gravetat es comporta tal com prediu la teoria establerta sobre vastes distàncies extragalàctiques reforça un pilar fonamental de la ciència moderna, explica Gallardo: el model estàndard de cosmologia. En demostrar que les teories fonamentals de la gravetat no es descomponen a les escales més grans, les dades tanquen efectivament la porta a un grup de teories com la Dinàmica Newtoniana Modificada (MOND), que intenten explicar els moviments còsmics modificant les lleis de la gravetat.

Quan Newton va proposar la relació del quadrat invers, que estableix que la gravetat s'afebleix en proporció al quadrat de la distància entre els objectes, es va preocupar principalment de descriure els moviments dels objectes del Sistema Solar. Aquest mateix principi s'ha provat ara en masses i distàncies que eren "inconcebibles en l'època de Newton", diu Gallardo.

Comprenent els "límits de velocitat" de l'univers

Les galàxies de l'univers (de les quals n'hi ha més de 200.000 milions), no es mouen com la gravetat per si sola diu que s'hi haurien de moure.

Seguint la lògica newtoniana, les estrelles més allunyades del centre d'una galàxia haurien d'orbitar més lentament. En canvi, els astrònoms veuen el contrari. Les regions més externes es mouen molt més ràpid del que la matèria visible pot explicar. El mateix desajust apareix en els cúmuls de galàxies, on galàxies senceres es mouen massa ràpid per a la seva massa.

Clic a la imatge per engrandir.  Patricio Gallardo i els seus col·laboradors van utilitzar l'efecte cinemàtic Sunyaev-Zel'dovich, o kSZ, un petit canvi imprès al fons còsmic de microones quan la seva llum passa a través del gas calent al voltant dels cúmuls de galàxies en moviment, per mesurar la rapidesa amb què s'acosten parells de cúmuls i provar si la gravetat s'afebleix amb la distància tal com prediu la física estàndard. Crèdit: Lucy Reading/Simons Foundation. 

"Aquest és el trencaclosques central", explica Gallardo. "O bé la gravetat es comporta de manera diferent a escales molt grans, o bé l'univers conté matèria addicional que no podem veure directament". 

Provant la gravetat a través del cosmos

Per comprovar-ho, els investigadors van recórrer a les observacions de l'ACT d'una llum emesa uns 380.000 anys després del Big Bang que ha estat viatjant per l'univers des de llavors, coneguda com a fons còsmic de microones. A mesura que aquesta llum antiga passa a través de cúmuls de galàxies massius, s'altera subtilment pel seu moviment, deixant empremtes febles que els astrònoms poden detectar. Llegint aquestes distorsions i mesurant aquests moviments a través de centenars de milers de cúmuls separats per desenes de milions d'anys llum, els investigadors van determinar la força amb què la gravetat atrau les estructures més grans del cosmos. Si les teories de gravetat modificades com ara MOND fossin correctes, les mesures revelarien una caiguda gravitatòria més plana.

En canvi, els resultats van arribar gairebé exactament on coincideixen les teories de Newton i Einstein.

Com que aquesta predicció es manté, el problema de la massa perduda no es pot explicar canviant la gravetat en si mateixa, cosa que reforça el cas que un component invisible (la matèria fosca) ha de proporcionar l'atracció addicional.

El telescopi Atacama Cosmology Telescope, un observatori còsmic a Xile, va ser utilitzat per l'equip per observar les interaccions gravitatòries entre cúmuls de galàxies. Crèdit: M Devlin/Universitat de Pennsilvània/CC BY-SA 4.0.

El misteri de la matèria fosca

Comprendre què és realment la matèria fosca continua sent un dels majors reptes de la física moderna. «Aquest estudi reforça l'evidència que l'univers conté un component de matèria fosca», diu Gallardo. «Però encara no sabem de què està fet aquest component». Les futures observacions del CMB i estudis de galàxies més grans permetran als físics i astrònoms provar la gravetat amb encara més precisió. "Amb tantes preguntes sense resposta, la gravetat continua sent una de les àrees de recerca més fascinants. És un camp naturalment atractiu", diu Gallardo entre rialles.

Per saber-ne més:

Patricio Gallardo és investigador associat al Departament d'Astronomia i Física de l'Escola d'Arts i Ciències de la Universitat de Pennsilvània.

L'estudi va involucrar més de 40 investigadors que representaven afiliacions institucionals de múltiples països. Els investigadors individuals que van contribuir a aquest estudi van rebre el suport de diverses beques i agències de finançament nacionals, com ara el Kavli Institute for Cosmological Physics de la Universitat de Chicago, la Simons Society of Fellows, la National Science Foundation dels EUA (AST-2206088), la beca ROSES de la NASA 12-EUCLID12-0004, el projecte Basal FB210003 de l'Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo (ANID) de Xile, la National Research Foundation de Sud-àfrica i el Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC) a través de les beques RGPIN-2023-05014 i DGECR-2023-00180. La Càtedra Sutton Family en Ciència, Cristianisme i Cultures de la Facultat d'Arts i Ciències de la Universitat de Toronto va proporcionar suport addicional. 

El projecte del Telescopi de Cosmologia d'Atacama (ACT) rep el suport principalment de la Fundació Nacional de Ciències dels Estats Units a través dels premis AST-0408698, AST-0965625 i AST-1440226 per al projecte ACT, així com dels PHY-0355328, PHY-0855887 i PHY-1214379. La Universitat de Princeton, la Universitat de Pennsilvània i un premi de la Fundació Canadenca per a la Innovació (CFI) a la Universitat de la Colúmbia Britànica han proporcionat finançament addicional. El desenvolupament dels detectors i lents multicroics de l'ACT va rebre el suport de les subvencions de la NASA NNX13AE56G i NNX14AB58G, i la recerca de detectors a l'Institut Nacional d'Estàndards i Tecnologia (NIST) va rebre el suport del programa NIST Innovations in Measurement Science.

Ho he vist aquí.

Matèria fosca: simulacions detallades compleixen el repte plantejat pel James Webb

Matèria fosca: simulacions detallades i espectaculars de galàxies finalment compleixen el repte plantejat pel telescopi James Webb.

Clic a la imatge per engrandir. Recreació artística d'una galàxia. Crèdit: DudeDesignStudio, Adobe Stock 

El telescopi espacial James Webb va revelar nombroses grans galàxies espirals ja presents a l'Univers observable primerenc, tan joves que alguns astrofísics van qüestionar si la seva existència era incompatible amb la matèria fosca. Moltes simulacions anteriors de formació de galàxies semblaven incapaces d'explicar aquestes grans galàxies, mentre que MOND, l'alternativa a la teoria de la matèria fosca, havia predit durant molt de temps la formació primerenca de grans galàxies. Una nova simulació potent reviu el debat? 

El gran matemàtic John Von Neumann, juntament amb el científic britànic Alan Turing, son considerats uns dels principals pioners i creadors d'ordinadors. Sovint es diu que la principal motivació de Von Neumann era poder fer prediccions meteorològiques precises. Per tant, podem especular sobre les seves reaccions a les simulacions que els cosmòlegs han estat duent a terme durant els darrers quaranta anys aproximadament sobre la formació i l'evolució de les galàxies i les estructures a gran escala que componen els cúmuls de galàxies.

Els cosmòlegs, per la seva banda, van dur a terme inicialment simulacions sobre aquest tema utilitzant només...paquets de matèria fosca sense tenir en compte el que podria passar amb la matèria ordinària capaç de formar estrelles massives que explotin en supernova o acumulant-se en forats negres supermassius. En aquests dos últims casos, una mena de vents còsmics resultants són capaces per si sols d'alterar la distribució de la matèria normal, produint així canvis en els camps gravitatoris, capaços d'alterar la distribució de la matèria fosca.

Com a recordatori, es creu que la matèria fosca està composta de partícules mai vistes abans en un laboratori a la Terra, i les distribucions de les masses que dominen la matèria ordinària, anomenada bariònica perquè estan formada de protons i neutrons dels nuclis. Aquesta és la raó principal per la qual les primeres simulacions de formació de galàxies només utilitzaven matèria fosca: el seu camp de gravetat se suposava que havia de dominar l'evolució del cosmos. En segon lloc, els ordinadors encara no eren prou potents per tenir en compte amb la màxima precisió tots els fenòmens possibles a l'escala de les galàxies.

Podeu triar l'idioma de subtitulació a la configuració del vídeo. El professor Carlos Frenk és el director fundador de l'Institut de Cosmologia Computacional, el grup de recerca de la Universitat de Durham. La seva xerrada explora com es va formar l'univers i els progressos realitzats durant els darrers 30 anys per entendre millor aquesta branca de la ciència. Crèdit: ArtichokeTrust. YouTube.

Simulacions més detallades a escala de galàxia

Durant molt de temps, aquestes simulacions van tenir en compte amb precisió la majoria de les observacions, però algunes anomalies podrien posar en dubte l'exactitud del model cosmològic estàndard, basat en l'existència de l'anomenada matèria fosca freda (perquè se suposa que les seves partícules es mouen lentament i, per tant, formen un gas fred).

Alguns es preguntaven si això significava abandonar el model de matèria freda i substituir-lo per modificacions de les lleis de la mecànica celeste newtoniana dins del marc de la Teoria de Mond.

No obstant això, des de fa aproximadament una dècada, amb els avenços en la informàtica, ha estat possible executar simulacions cada cop més realistes, i molt recentment, s'han plantejat preguntes sobre si realment podien explicar les grans galàxies observades molt aviat en la història del cosmos observable pel Telescopi espacial James Webb. És força difícil explicar la seva existència únicament amb simulacions basades en la matèria fosca.

Molts cosmòlegs i astrofísics de partícules interessats en la matèria fosca haurien, doncs, d'estudiar atentament els articles publicats a Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, o una versió gratuïta que també existeix a arXiv.

Un comunicat de la Royal Astronomical Society  (RAS) explica què està passant. Revela que les simulacions realitzades al superordinador COSMA8 de l'Institut de Cosmologia computacional de la Universitat de Durham al Regne Unit "Demostra que el model cosmològic estàndard, que incorpora els principals fenòmens físics, explica amb èxit el creixement observat de galàxies, des dels primers mil milions d'anys després del Big Bang fins avui dia".

Les simulacions es van dur a terme durant més d'una dècada com a part del projecte Colibre  per un equip internacional repartit per Europa, Austràlia i els Estats Units.

El reconegut cosmòleg Carlos Frenk, membre clau de l'equip de Colibre, no va amagar el seu entusiasme al comunicat de premsa de RAS: "És emocionant veure galàxies generades pel nostre ordinador, indistingibles de les galàxies reals i que comparteixen moltes propietats mesurades pels astrònoms, com ara el seu nombre, la seva brillantor, els seus colors i les seves dimensions".

Per explorar els universos virtuals generats per les simulacions, una tasca que podria trigar anys, els investigadors van produir "vídeos sonificats" com el que es mostra a continuació, on el so codifica informació física addicional.

Evolució d'una galàxia a la simulació L012m5, des del desplaçament cap al vermell z = 5,5 fins a z = 0. Aquesta galàxia té una massa estel·lar actual de 6,3 × 10¹° M☉ (masses solars), una taxa de formació estel·lar d'1,6 M☉any i un forat negre amb una massa d'1,6 × 108 M☉. La barra d'escala, a la part superior esquerra, indica una longitud de 10 quiloparsecs físics (pkpc), o aproximadament 32.600 anys llum. Crèdit: Colibre Simulations. YouTube.

Simulacions conformes amb les observacions del JWST

Entre els processos físics que millor expliquen les simulacions del projecte Colibre hi ha la presència de la pols, que ajuda a la formació de núvol d'hidrogen molecular i, per tant, a la formació d'estrelles. També hi ha el fet que finalment podem simular masses de gas a temperatures creïbles, és a dir, segons observacions fredes i en galàxies. Els càlculs anteriors només podien assignar temperatures superiors a la superfície del Sol - és a dir, per sobre dels 6.000º kelvin- a aquestes masses, que no obstant això són essencials per comprendre el naixement de les estrelles, incloses les que produiran supernoves SNII.

Això és el que en última instància permet a Evgenii Chaikin de la Universitat de Leiden, autor principal de diversos articles que acompanyen Colibre i coautor de l'estudi principal, afirmar: "Alguns resultats preliminars del JWST semblaven qüestionar el model cosmològic estàndard. Colibre demostra que, un cop els processos físics clau es representen de manera més realista, el model és coherent amb les nostres observacions".

Gairebé, perquè el comunicat de premsa de la Royal Astronomical Society acaba dient que els famosos i enigmàtics "Petits punts vermells" descoberts pel JWST, potser representen les llavors de forats negres supermassius, que Colibre no prediu, ja que suposa l'existència d'aquestes llavors. Però potser això canviarà amb el modelatge i simulacions encara més refinades i potents.

Clic a la imatge per engrandir. El panell de l'esquerra il·lustra la xarxa còsmica, on el color representa la densitat projectada de gas i estrelles. Els dos panells de la dreta presenten un zoom de dues de les moltes galàxies formades per les simulacions. Aquestes imatges mostren la llum de les estrelles enfosquida per la pols per a una galàxia espiral de cara (a dalt a la dreta) i per a una altra galàxia espiral de costat (a baix a la dreta). Crèdit: Schaye et al. (CC BY 4.0)

Ho he vist aquí.

La matèria fosca podria estar brillant al centre de la nostra galàxia

Clic a la imatge per engrandir. Les observacions de Fermi mostren un excés de raigs gamma al cor de la Via Làctia. En aquest fotomuntatge, estan superposats en fals color sobre una imatge d'ona visible. Crèdit: NASA.

 

Fa gairebé 15 anys, les observacions de raigs gamma suggerien que existia matèria fosca en descomposició al cor de la nostra Via Làctia. Noves proves han reviscut el debat sobre la validesa d'aquesta evidència de l'existència d'aquesta matèria exòtica postulada per la cosmologia moderna.

Àudio en francès. Segons càlculs i observacions, hi ha una gran quantitat de matèria invisible a l'espai. Aquesta massa misteriosa, anomenada matèria fosca, continua sent un enigma amb el qual molts investigadors encara s'enfronten avui dia. Com a part de la seva sèrie de vídeos "Preguntes d'experts" sobre física i astrofísica, l'editorial De Boeck va entrevistar Richard Taillet¹, investigador del LAPTh, per explicar-nos més sobre aquesta matèria fosca.

La saga de la matèria fosca té alguns girs i tombs nous en aquest moment. Hi ha algunes especulacions sobre si podria ser de color després de tot, i finalment, una publicació a la reconeguda revista Physical Review Letters revisa una pregunta que s'ha fet sobre les observacions fetes durant més d'una dècada en astronomia de raigs gamma.

La publicació en qüestió també existeix com a article d'accés obert a arXiv. Està feta per un equip d'astrofísics i cosmòlegs, entre els quals el famós cosmòleg britànic Joseph Silk (conegut pels seus populars treballs sobre el Big Bang, la matèria i l'energia fosca), professor de física i astronomia a la Universitat Johns Hopkins i investigador a l'Institut d'Astrofísica de la Universitat de la Sorbona, i que era molt conegut pel difunt Richard Taillet.

Aquesta és una possible reinterpretació de les observacions fetes amb el telescopi espacial de raigs gamma Fermi de la NASA utilitzant noves simulacions numèriques motivat per les observacions d'un altre telescopi espacial, però de l'ESA, ja que és el resultat de la missió Gaia que va observar la Via Làctia.

Però abans d'arribar-hi, uns quants recordatoris del que ja s'ha explicat fa molt de temps serà útil.

Per què necessitem la matèria fosca?

Arribem sempre a no poder fer néixer prou ràpid en el cosmos observable les galàxies sense matèria fosca, i les partícules que la componen també són un ingredient fonamental a través dels filaments que formen col·lapsant gravitacionalment per fer créixer les galàxies (com va explicar el cosmòleg Romain Teyssier a Futura). Les observacions de Planck pel que fa a la radiació fòssil també són incomprensibles fins ara sense la matèria fosca.

Però, com el seu nom indica, les partícules de matèria fosca no irradien llum, o si més no molt poca, el que implica que han de ser neutres o amb una càrrega molt feble. Sabem que aquesta matèria no pot estar composta completament, ni remotament, de partícules del model estàndard en física d'alt nivell d'energia, perquè això contradiria els càlculs i les observacions relatives a la nucleosíntesi primordial, que proporciona les abundàncies dels nuclis d'hidrogen, de heli i els seus isòtops al final del Big Bang. Una part molt petita de la matèria fosca es troba en la forma dels neutrins del model estàndard, i es podria esmentar el fet que una part dels protons del Big Bang també s'amaga en els filaments de matèria que connecten les galàxies i cúmuls de galàxies.

Però, com podem demostrar l'existència d'aquestes partícules de matèria fosca en el cosmos observable si no irradien o irradien molt poc?

Es podria pensar que la matèria fosca només es fa senyals a si mateixa a través de la força gravitatòria que exerceix, més important que el de les masses en forma de barions ja que la seva contribució a les masses de les galàxies i els cúmuls de galàxies és més gran. Però diversos models teòrics d'aquestes partícules exòtiques, mai abans vistes en acceleradors o detectors enterrats a la Terra, mostren que, tanmateix, poden ser indirectament responsables d'emissions de radiació.

Aquest vídeo comença amb una immersió cap al centre de la Via Làctia amb imatges preses en el rang visible. Acaba superposant aquestes imatges amb les preses en el domini dels raigs gamma amb els instruments de Fermi. Mostren una regió d'uns 5.000 anys llum de diàmetre que és particularment brillant en falsos colors. El vermell indica la brillantor màxima. Crèdit: NASA, YouTube

Fotons gamma produïts per l'aniquilació de la matèria fosca

En aquest cas, es tracta de fotons raigs gamma que es produirien per l'aniquilació de parells de partícules i antipartícules de matèria fosca. La idea és antiga, ja que es va formular per primera vegada a finals dels anys setanta.

De fet, durant anys ens hem estat preguntant sobre els excessos de raigs gamma que el telescopi espacial de raigs gamma Fermi detecta al centre de la Via Làctia i de la Galàxia d'Andròmeda.

Els models de matèria fosca tendeixen a predir la seva acumulació al cor de les galàxies. La densitat de matèria fosca allà esdevé més alta que a l'halo esfèric que se suposa que banya les galàxies i explica els moviments ràpids d'estrelles i del gas a la vora de les galàxies (podem intentar prescindir de la matèria fosca modificant les lleis de la mecànica celeste newtoniana amb MOND (sigles en anglès de dinàmica newtoniana modificada), però això no és sense plantejar problemes), les trobades entre partícules de matèria fosca que poden conduir a la seva aniquilació són més nombroses i, per tant, la radiació que produeixen aquestes col·lisions, potser, seria més intensa.

No obstant això, el 2015, un equip de físics nord-americans del MIT i de la Universitat de Princeton havien presentat un argument preocupant contra aquesta explicació de l'excés de raigs gamma detectats per Fermi al cor de la Via Làctia.

Fermi, supernoves i púlsars de raigs gamma. Per obtenir una traducció al català força precisa, feu clic al rectangle blanc de la cantonada inferior dreta. Aleshores haurien d'aparèixer els subtítols en anglès. A continuació, feu clic a l'asterisc a la dreta del rectangle, després a "Subtítols" i finalment a "Traduir automàticament". Trieu "Català". Crèdit: NASA Goddard.

Emissions gamma contínues o discretes?

El raonament era el següent. Sabem que les explosions de supernoves i estrelles de neutrons, que es poden detectar en forma de púlsars, són fonts importants de raigs gamma. Tenim dificultats per observar l'aparició d'aquestes fonts al bulb de la Via Làctia, perquè els núvols de gas i pols —que s'interposen entre nosaltres i el cor de la Galàxia— absorbeixen part de les diverses radiacions produïdes per l'estrelles que hi ha. Per tant, es podria suposar que l'excés d'emissions gamma observades al centre de la Via Làctia només eren el producte d'una gran població de púlsars la presència dels quals no s'havia establert prèviament.

Per intentar diferenciar entre les dues hipòtesis, partícules de matèria fosca o púlsars, els astrofísics havien construït un model per interpretar les observacions de Fermi. En poques paraules, si les emissions de raigs gamma són la signatura d'una distribució de matèria fosca, un mapa prou precís d'aquestes emissions hauria de mostrar que varien de manera força suau i contínua.

Per contra, una població de púlsars, quan s'amplien aquestes emissions, hauria de produir un mapa amb grups, cadascun associat a un púlsar. El 2015, utilitzant el seu model per analitzar els senyals de Fermi, els investigadors van concloure que la hipòtesi del púlsar era fortament afavorida.

Però aquí arriben les noves contribucions de Joseph Silk i els seus col·legues.

Gaia ens va ensenyar que la història de la Via Làctia ha estat marcada per esdeveniments turbulents en forma de col·lisions amb petites galàxies nanes que absorbia. Per tant, no hauríem d'esperar una concentració tan regular de matèria fosca al bulb galàctic com es va predir inicialment. Tenint en compte la informació proporcionada per GAIA, els investigadors van utilitzar simulacions amb superordinadors per predir amb més precisió la forma de la distribució de la matèria fosca al cor de la nostra galàxia.

Suposant, per tant, que aquesta matèria està ben descrita per teories que també preveuen la possibilitat que produeixi indirectament radiació gamma, trobem que la hipòtesi del púlsar només està a l'alçada de la matèria fosca a l'hora d'explicar les observacions del telescopi Fermi.

De fet, anem encara més enllà. Les properes observacions en el marc de l'astronomia gamma, que aviat seran possibles gràcies a l'Observatori Cherenkov Telescope Array,  podrien acabar decidint entre les dues hipòtesis. El CTAO hauria d'oferir imatges del cel amb una sensibilitat i resolució angular deu vegades més gran que els observatoris actualment en funcionament (HESS, Magic, Veritas).

Ho he vist aquí

Mentre llegiu això, l'univers s'ha fet una mica més gran

Un dels objectius del telescopi Hubble de la NASA era determinar a quina velocitat s'expandeix l'univers. El James Webb ha corroborat 30 anys de dades del Hubble, i ha aprofundit un misteri persistent: Per què l'univers s'expandeix tan ràpid?

Els científics van predir la velocitat d'expansió de l'univers basant-se en les "fotos de nadó" de l'univers després del Big Bang. Però els mesuraments del Hubble van suggerir un ritme d'expansió més ràpid del que es preveia, una discrepància coneguda com la Tensió de Hubble.

Clic a la imatge per engrandir. Aquesta imatge és un composició de dades del Webb i del Hubble. Mostra la galàxia espiral NGC 5584, una de les galàxies implicades en els càlculs de l'equip de recerca del Webb sobre el ritme d'expansió de l'univers. Crèdit: NASA, ESA, A. Riess (STScI), W. Yuan

Tant el Hubble com el Webb van calcular la velocitat d'expansió de l'univers amb l'ajuda d'estrelles polsants extremadament brillants anomenades Cefeides. A causa de les seves conegudes propietats, aquestes estrelles serveixen sovint com a vares de mesurar còsmiques per mesurar distàncies a l'espai.

Utilitzant les estrelles dins de les galàxies com a marcadors, els astrònoms poden ajuntar els mesuraments en una "escala de distàncies còsmiques". Comencen amb mesuraments de distàncies reals a galàxies properes, i després passen a galàxies cada cop més llunyanes. A continuació, utilitzen aquests valors, juntament amb els mesuraments de la llum de les galàxies, per determinar en última instància a quina velocitat s'expandeix el cosmos al llarg del temps.

Clic a la imatge per engrandir. Aquesta infografia destaca les capacitats infraroges del Webb. El Hubble és capaç de distingir les cefeides en un camp estel·lar abarrotat, però observa principalment en llum visible. Això planteja un problema quan la pols còsmica pot absorbir i dispersar la llum visible, fent que els objectes distants semblin més llunyans del que realment hi són. Aquí entra el Webb. La seva visió infraroja més nítida travessa la pols i aïlla amb més claredat les estrelles cefeides. Tot i que les dades de Webb tenen menys soroll, els resultats coincideixen amb les de Hubble, cosa que indica que qualsevol possible inexactitud de Hubble no era la font de la Tensió de Hubble. Crèdit: NASA, ESA, A. Riess (STScI), W. Yuan

Ho he vist aquí.

Les simulacions expliquen l'abundància de galàxies brillants a l'albada còsmica

Quan els investigadors van entreveure les primeres imatges i dades del telescopi espacial James Webb (JWST), el telescopi espacial més gran i més potent de la humanitat, van observar una cosa peculiar. Un gran nombre de galàxies brillants a les profunditats de l'univers es van formar durant un període anomenat "Albada Còsmica", quan es van formar les primeres estrelles i galàxies en els 500 milions d'anys posteriors al Big Bang.

Feu clic a la imatge per ampliar-la. Concepció artística de les primeres galàxies amb brots estel·lars. Astrònoms de la UC Davis van col·laborar en noves simulacions que mostren com van poder sorgir galàxies brillants als inicis de l'univers. Les estrelles i galàxies es mostren als punts blancs brillants de llum, mentre que la matèria fosca i el gas, més difusos, es mostren en morats i vermells. Imatge d'Aaron M. Geller, Northwestern, CIERA + IT-RCDS.

Els resultats van ser inesperats. Molts models cosmològics de formació de galàxies indicaven que no es podien formar galàxies tan lluminoses en una etapa tan primerenca de l'univers.

Però una nova investigació publicada a The Astrophysical Journal Letters demostra que un model teòric elaborat fa uns cinc anys predeia precisament aquestes observacions.

"Quan analitzem aquestes galàxies en la nostra simulació tal com les hauria vist el JWST, s'assemblen força al que va observar el JWST", afirma l'astrofísic teòric Andrew Wetzel, professor associat de Física i Astronomia a UC Davis i coautor de l'article. "Les nostres prediccions s'han complert. Pels teòrics com jo, això no pot ser millor: fer una predicció i veure-la feta realitat".

L'article, dirigit per investigadors de la Universitat Northwestern, atribueix el gran nombre de galàxies brillants observades a Albada Còsmica a la formació estel·lar explosiva, un fenomen natural a l'univers que era una propietat emergent del model cosmològic de l'equip.

Fluctuació de la llum estel·lar

Segons Wetzel, molts models anteriors relatius a la formació de galàxies durant l'Albada Còsmica caracteritzaven la brillantor d'aquestes galàxies com a constant al llarg del temps. Wetzel va comparar la brillantor d'aquests models amb una llanterna. Quan està encesa, el feix és estable i constant. Però no va ser així com es van comportar les primeres galàxies de l'univers primitiu. La seva brillantor era molt més variable al llarg del temps.

"La clau és que aquestes febles galàxies experimenten fluctuacions molt ràpides a la seva brillantor", explica Wetzel. "Així que durant un petit lapse de temps, aquestes galàxies normalment febles es tornen temporalment molt brillants".

Dóna la casualitat que el JWST va recollir imatges i dades en un moment en què aquestes galàxies mostraven esclats, segons Wetzel. Durant el període de Clarejar Còsmic, es van formar grans quantitats d'estrelles alhora, cremant brillantment abans d'explotar com a supernoves i extingir-se.

Clic a la imatge per engrandir. Aquesta imatge ens serveix per poder comparar la mida dels miralls primaris i la dels tècnics que van acoblar el telescopi espacial James Webb durant el trasllat a una sala blanca del Centre Goddard de Vols Espacials, una vegada completades les proves de vibració i acústica. Crèdit: NASA/Desiree Stover

"Un dels ingredients més importants del nostre model és modelitzar com les estrelles es retroalimenten al conjunt de la galàxia", afirma Wetzel.

Un model "FIRE"

El model de Wetzel i els seus col·legues utilitza simulacions cosmològiques del projecte Feedback in Realistic Environments (FIRE ; sigles de Retroalimentació en un Entorn Realista), l'objectiu del qual és "desenvolupar i explorar simulacions cosmològiques de la formació de galàxies que resolguin directament el mitjà interestel·lar de galàxies individuals alhora que capturen el seu entorn" cosmològic", segons el lloc web de la col·laboració FIRE.

"Hem d'executar aquests models de simulació utilitzant instal·lacions nacionals de supercomputació, atès el seu alt rang dinàmic i com són de rics en física", va explicar Wetzel. "Conflueixen gairebé totes les àrees de l´astrofísica".

En essència, l'equip introdueix les lleis físiques bàsiques subjacents a la formació de galàxies, com la gravetat, la dinàmica de fluids i la radiació, entre altres processos físics. A continuació, executen la simulació als avançats supercomputadors del projecte.

L'esclat de les galàxies antigues observades pel JWST va ser una propietat emergent de la simulació FIRE de l'equip, cosa que reforça la idea que la formació estel·lar explosiva explica de manera natural l'abundància de galàxies brillants a l'Albada Còsmica.

"No hi havia cap paràmetre específic que digués: Així d'esclatants són les galàxies!", explica Wetzel. "Aquest esclat, amb una ràpida variació de la brillantor d'aquestes primeres galàxies, va sorgir de manera natural dels nostres models computacionals".

Actualment, Wetzel i els seus estudiants treballen en un projecte per adaptar la seva simulació de FOC a qüestions relatives a com es va formar la galàxia Via Làctia. El projecte aprofita les dades actuals de la Via Làctia per reconstruir les històries de formació d'estrelles individuals. "A vegades descrivim aquest camp com a arqueologia galàctica", explica Wetzel. "Vam prendre el registre actual de la Via Làctia i l'utilitzem per fer enginyeria inversa sobre com va aparèixer al llarg de la història, fins i tot durant l'Albada Còsmica".

La investigació ens ajudarà a comprendre millor els inicis de la galàxia que anomenem llar.

Ho he vist aquí.

La llum d'Earendel, la nostra estrella més estimada

Descoberta pel telescopi Hubble de la NASA, Earendel (veure segona imatge) és l'estrella més llunyana que s'ha detectat mai. Va existir durant els primers mil milions d'anys després del Big Bang! El telescopi James Webb ens mostra ara que és una estrella massiva de tipus B, més del doble de calent que el nostre Sol i aproximadament un milió de vegades més lluminosa.

Clic a la imatge per engrandir. Un fons negre està esquitxat de centenars de petites galàxies de diferents formes i colors. Algunes galàxies estan distorsionades. Una mica per sobre del centre, hi ha una font brillant de llum, una estrella amb 8 pics de difracció brillants que s'estenen fora. Sota l'estrella hi ha diverses galàxies blanques molt difuses que semblen boles de cotó. Formen part d'un cúmul de galàxies. A la part inferior dreta de l'estel hi ha una línia llarga, vermella i prima que s'estén des de la una fins a les set, delineada en un requadre blanc. Aquesta és la galàxia de l'Arc de l'Albada. Crèdits: NASA, ESA, CSA, Dan Coe (STScI/AURA per a ESA, JHU), Brian Welch (NASA-GSFC, UMD), amb processament d'imatges de Zolt G. Levay.

Clic a la imatge per engrandir. Un primer pla del requadre que destaca l'Arc de l'Albada. Diversos punts brillants, alguns més gruixuts que altres, estan al llarg de la llarga línia vermella, amb un etiquetatge com a Earendel. Altres galàxies (taques, punts i discos en blanc o vermell) omplen el fons. Crèdits: NASA, ESA, CSA, Dan Coe (STScI/AURA per a ESA, JHU), Brian Welch (NASA-GSFC, UMD), amb processament d'imatges de Zolt G. Levay.

Earendel només és detectable gràcies a un cúmul de galàxies situat entre l'estrella i nosaltres. La gravetat del cúmul corba la llum, magnificant el que hi ha al darrere, en el cas d'Earendel, per un factor d'almenys 4000. Basant-se en els colors de la llum d'Earendel, els astrònoms creuen que pot tenir una estrella companya més freda.

Webb també és capaç de veure altres detalls a la galàxia amfitriona d'Earendel, l'Arc de l'Albada, la galàxia més magnificada detectada fins ara en els primers mil milions d'anys de l'univers. Presenta tant regions de formació estel·lar joves com cúmuls estel·lars més antics i consolidats de tan sols 10 anys llum de diàmetre.

Gràcies a la seva sensibilitat, Webb ha detectat altres estrelles molt distants, encara que no tant com Earendel. Els astrònoms tenen l'esperança que encara es pugui detectar la primera generació d'estrelles de l'univers. Més informació a l'enllaç de la nostra biografia.

Clic a la imatge per engrandir. Aquestes imatges són una composició d'exposicions separades adquirides pels instruments ACS/WFC i WFC3/IR del Telescopi Espacial Hubble. Es van utilitzar diversos filtres per mostrar rangs de longitud d'ona amplis i estrets. El color és assignar diferents matisos (colors) a cada imatge monocromàtica (escala de grisos) associada a un filtre individual. En aquest cas, els colors assignats són Blau: F814W Verd: F105W Vermell: F110W + F160W

Ho he vist aquí i aquí.

El telescopi James Webb revela secrets mai vists del titànic cúmul de galàxies "El Gordo"

El Hubble només podia endevinar-los. El telescopi espacial James Webb els acaba de treure a la llum. Una gran quantitat de galàxies llunyanes, un cúmul primitiu i fins i tot l'estrella gegant vermella més llunyana mai observada!

Clic a la imatge per engrandir. El telescopi espacial James Webb ha enviat una altra imatge impressionant, plena de lliçons per als científics. Una imatge del cúmul d'"El Gordo" com no havien vist mai abans. Crèdit: Jose Diego (Institut de Física de Cantabria), Brenda Frye, Patrick Kamieneski, Tim Carleton i Rogier Windhorst de l'Arizona State University, Alyssa Pagan (STScI), Jake Summers (Arizona State University), Jordan D'Silva i Aaron Robotham (University of Western Australia) i Anton Koekemoer (STScI), NASA, ESA, ASC.

Descobreix les primeres imatges enviades per la NASA del JWST, el telescopi espacial amb un rendiment inigualable.

En castellà, "El Gordo" significa "el gran". És per això que aquest sobrenom es va assignar al cúmul de galàxies ACT-CL J0102-4915. Perquè és senzillament el cúmul més gran conegut fins ara a l'univers llunyà. Comprèn, al nostre Univers tal com va aparèixer fa poc més de 6.000 milions d'anys. Això situa El Gordo a uns 7.000 milions d'anys llum de la nostra Terra.

I una nova imatge retornada pel telescopi espacial James Webb (JWST) mostra aquest cúmul de cent galàxies amb una nova llum. Amb les galàxies emergint clarament quan amb prou feines es podien endevinar a les millors imatges del telescopi espacial Hubble. Els astrònoms hi estan especialment interessats per l'efecte de lents gravitacionals que produeix i que poden aprofitar per descobrir objectes de fons.

Clic a la imatge per engrandir. Imatges en color de NIRCam dels quatre sistemes coneguts i un probable de z = 4,32 que mostren morfologies resoltes. Les barres d'escala es mostren en cada imatge, i l'orientació es Nord a dalt, Est esquerra. Els sistemes 8, 9, 10 i 11 van ser identificats per primera vegada per Caputi et al. (2021), en el seu estudi les imatges del Hubble (HST) no van poder detectar el component vermell del sistema 9. A NIRCam, les imatges de la galàxia es separen en múltiples components, on suggereix interaccions/fusions de galàxies en curs, així com canvis en la paritat de la imatge entre les esperades en cada creu de la corba crítica. El Sistema 39 ha estat descobert en aquest estudi pel seu desplaçament al vermell predit pel model, el seu desplaçament al vermell fotomètric i la seva morfologia.

Clic a la imatge per engrandir. A la imatge que retorna el telescopi espacial James Webb del cúmul El Gordo, “The slender” (el prim) al fotograma A i “The hook” (l'ham) al fotograma B. Crèdit: Jose Diego (Institut de Física de Cantabria), Brenda Frye, Patrick Kamieneski, Tim Carleton i Rogier Windhorst (Arizona State University), Alyssa Pagan (STScI), Jake Summers (Arizona State University), Jordan D' Silva i Aaron Robotham (University of Western Australia), Anton Koekemoer (STScI), NASA, ESA, ASC.

La primera estrella gegant vermella llunyana revelada pel telescopi espacial James Webb

Entre ells hi ha una galàxia (fotograma B, a dalt) d'uns 10.600 milions d'anys. Deformat per lents gravitacionals, rep el sobrenom de "l'ham". Deu el seu color vermell tant a la seva pols com a la distància extrema a la qual es troba de nosaltres. Corregida la distorsió, la galàxia sembla en forma de disc a només 26.000 anys llum de distància. Una quarta part de la nostra Via Làctia, o la distància actual que separa la Terra del forat negre gegant al centre de la nostra galàxia, Sagitari A*. I els astrònoms observen que ja comença a deixar de formar massa estrelles.

Una altra galàxia a uns 11.000 milions d'anys llum de distància apareix a la imatge: el marc A. Com una línia de llapis. D'aquí el seu sobrenom "El prim". I no gaire lluny d'allà, la primera estrella supergegant vermella que es va poder observar a més de mil milions d'anys llum de la nostra Terra. Gràcies a la sensibilitat infraroja del telescopi espacial James Webb.

Clic a la imatge per engrandir. La massa increïble del cúmul de galàxies "El Gordo" actua com una lent natural, permetent-nos veure objectes més llunyans darrere seu mitjançant un procés conegut com a lent gravitacional. Els nous estudis que utilitzen Chandra i el James Webb de  la NASA proporcionen noves idees: feu un clic aquí.

Dins dels secrets de les galàxies i els seus cúmuls

Els investigadors també assenyalen el que podria resultar ser un nou cúmul de galàxies en formació. Una mica més de mil milions d'anys després del Big Bang, ja podria estar format per 17 galàxies.

També es veuen a la imatge del James Webb les galàxies ultra-difuses més llunyanes observades mai. Galàxies que semblen presentar propietats lleugerament diferents de les actuals.

Ho he vist aquí.

El Webb detecta el forat negre supermassiu actiu més llunyà fins ara.

Els investigadors han descobert amb el telescopi espacial James Webb el forat negre supermassiu actiu més llunyà fins ara. La galàxia, CEERS 1019, va existir poc més de 570 milions d'anys després del Big Bang, i el seu forat negre és menys massiu que qualsevol altre identificat fins ara a l'univers primitiu. No només això, sinó que ha "sacsejat" fàcilment dos forats negres més que també són al costat, i van existir 1.000 i 1.100 milions d'anys després del Big Bang. Webb també va identificar onze galàxies que existien quan l'univers tenia entre 470 i 675 milions d'anys. Les proves van ser aportades pel programa CEERS, sigles de Cosmic Evolution Early Release Science Survey (Sondeig de l'Evolució Còsmica de Ciència d'Alliberament Primerenc) del Webb, dirigit per Steven Finkelstein, de la Universitat de Texas a Austin. El programa combina imatges molt detallades del Webb a l'infraroig proper i mitjà i dades conegudes com a espectres, tots els quals es van utilitzar per fer aquests descobriments.

Clic a l'imatge per engrandir. Observa detingudament aquest vast paisatge. Ha estat cosit a partir de múltiples imatges captades pel telescopi espacial James Webb en llum infraroig proper, i pràcticament batega d'activitat. A la dreta del centre hi ha un grup de galàxies espirals blanques i brillants que semblen enroscar-se les unes en les altres. Al llarg de l'escena hi ha espirals de color rosa clar que semblen molinets girant al vent. Les estrelles brillants del primer pla, de color blau, s'anuncien amb les prominents puntes de difracció de vuit puntes de Webb. No es perdi una imatge poc convencional: a la fila inferior, busqueu el segon quadrat per la dreta. A la vora dreta, una galàxia blava deforme està decorada amb cúmuls estel·lars brillants de color blau i rosa. Crèdit: NASA, ESA, CSA, Steve Finkelstein (UT Austin), Micaela Bagley (UT Austin), Rebecca Larson (UT Austin).

CEERS 1019 no només destaca pel temps que fa que va existir, sinó també pel relativament poc que pesa el seu forat negre. Aquest forat negre pesa uns 9 milions de masses solars, molt menys que altres forats negres que també van existir a l'univers primitiu i van ser detectats per altres telescopis. Aquests colossos solen contenir més de mil milions de vegades la massa del Sol, i són més fàcils de detectar perquè són molt més brillants. (Estan "menjant" activament matèria, que s'il·lumina a mesura que s'arremolina cap al forat negre). El forat negre del CEERS 1019 és més semblant al forat negre del centre de la nostra Via Làctia, que té 4,6 milions de vegades la massa del Sol. Aquest forat negre tampoc és tan brillant com els gegants detectats anteriorment. Tot i que és més petit, aquest forat negre va existir molt abans, per la qual cosa encara resulta difícil explicar com es va formar tan poc temps després de l'inici de l'univers. Els investigadors sabien des de fa temps que els forats negres més petits devien haver existit abans a l'univers, però no va ser fins que Webb va començar a observar-los quan van poder fer deteccions definitives. (És possible que CEERS 1019 només ostenti aquest rècord durant unes poques setmanes - les afirmacions sobre altres forats negres més distants identificats per Webb estan sent actualment revisades acuradament per la comunitat astronòmica).

Les dades del Webb desborden pràcticament informació precisa que fa que aquestes confirmacions siguin tan fàcils d'extreure de les dades. "Observar aquest objecte llunyà amb aquest telescopi s'assembla molt a observar les dades de forats negres que hi ha en galàxies properes a la nostra", afirma Rebecca Larson, de la Universitat de Texas a Austin, que va dirigir aquest descobriment. "¡Hi ha tantes línies espectrals per analitzar!". L'equip no només va poder desentranyar quines emissions de l'espectre procedeixen del forat negre i quines de la seva galàxia amfitriona, sinó que també va poder precisar quant de gas està ingerint el forat negre i determinar el ritme de formació estel·lar de la seva galàxia.

L'equip va descobrir que aquesta galàxia està ingerint tot el gas que pot alhora que produeix noves estrelles. Per esbrinar per què, van recórrer a les imatges. Visualment, CEERS 1019 apareix com a tres grups brillants, no com un únic disc circular. "No estem acostumats a veure tanta estructura en imatges a aquestes distàncies", explica Jeyhan Kartaltepe, de l'Institut de Tecnologia de Rochester (Nova York) i membre de l'equip CEERS. "Una fusió de galàxies podria ser en part responsable d'alimentar l'activitat al forat negre d'aquesta galàxia, i això també podria conduir a un augment de la formació estel·lar".

Clic a l'imatge per engrandir. Aquest gràfic mostra deteccions dels forats negres supermassius actius més distants coneguts actualment a l'univers. Han estat identificats per diversos telescopis, tant espacials com a terrestres. Tres han estat detectats recentment pel Cosmic Evolution Early Release Science Survey (CEERS) del telescopi espacial James Webb. Aquest gràfic mostra deteccions dels forats negres supermassius actius més distants coneguts actualment a l'univers. Han estat identificats per diversos telescopis, tant espacials com a terrestres. Tres han estat detectats recentment pel Cosmic Evolution Early Release Science Survey (CEERS) del telescopi espacial James Webb. Crèdit: NASA, ESA, CSA, Leah Hustak (STScI). Infografia en català: Sci-Bit.

Es descobreixen més forats negres i galàxies extremadament distants

La investigació CEERS és molt àmplia i encara queda molt per explorar. Dale Kocevski, del Colby College de Waterville (Maine), i el seu equip van descobrir ràpidament un altre parell de petits forats negres a les dades. El primer, dins de la galàxia CEERS 2782, va ser el més fàcil de distingir. No hi ha pols que obstrueixi la visió del Webb, i per això els investigadors van poder determinar immediatament quan va existir el seu forat negre en la història de l'univers: només 1.100 milions d'anys després del Big Bang. El segon forat negre, a la galàxia CEERS 746, va existir una mica abans, 1.000 milions d'anys després del Big Bang. El seu brillant disc d'acreció, un anell format per gas i pols que envolta el forat negre supermassiu, encara està parcialment cobert de pols. "El forat negre central és visible, però la presència de pols suggereix que es podria trobar a l'interior d'una galàxia que també està expulsant estrelles a gran velocitat", va explicar Kocevski.

Igual que el del CEERS 1019, aquests dos forats negres també són "pesos lleugers", almenys en comparació dels forats negres supermassius coneguts fins ara a aquestes distàncies. Només tenen uns 10 milions de vegades la massa del Sol. "Els investigadors saben des de fa temps que hi deu haver forats negres de menor massa a l'univers primitiu. Webb és el primer observatori que els pot captar amb tanta claredat", afegeix Kocevski. "Ara pensem que els forats negres de menor massa podrien estar per tot arreu, esperant ser descoberts". Abans de Webb, els tres forats negres eren massa febles per ser detectats. "Amb altres telescopis, aquests objectius semblen galàxies ordinàries de formació estel·lar, no forats negres supermassius actius", va afegir Finkelstein.

Els sensibles espectrògrafs del Webb també van permetre a aquests investigadors mesurar amb precisió les distàncies a les galàxies de l'univers primitiu i, per tant, la seva edat. Els membres de l'equip Pablo Arrabal Haro, del NOIRLab de la NSF, i Seiji Fujimoto, de la Universitat de Texas a Austin, van identificar 11 galàxies que existien entre 470 i 675 milions d'anys després del Big Bang. No només són extremadament distants, sinó que el fet que es detectessin tantes galàxies brillants és notable. Els investigadors van teoritzar que Webb detectaria menys galàxies de les que s'estan trobant a aquestes distàncies. "Estic aclaparat per la quantitat d'espectres altament detallats de galàxies remotes que ha tornat Webb", va dir Arrabal Haro. "Aquestes dades són absolutament increïbles".

Aquestes galàxies estan formant estrelles ràpidament, però encara no estan tan enriquides químicament com les galàxies molt més properes. "Webb va ser el primer a detectar algunes d'aquestes galàxies", va explicar Fujimoto. "Aquest conjunt, juntament amb d'altres galàxies llunyanes que puguem identificar en el futur, podria canviar la nostra comprensió de la formació estel·lar i l'evolució de les galàxies al llarg de la història còsmica", va afegir.

Aquests són els primers resultats revolucionaris de l'estudi CEERS. "Fins ara, la investigació sobre els objectes de l'univers primitiu era molt teòrica", afirma Finkelstein. "Amb Webb, no només podem veure forats negres i galàxies a distàncies extremes, sinó que ara els podem començar a mesurar amb precisió. Aquest és el gran poder d'aquest telescopi". En el futur, és possible que les dades de Webb també s'utilitzin per explicar com es van formar els primers forats negres, revisant els models dels investigadors sobre com van créixer i evolucionar els forats negres en els primers centenars de milions d'anys de la història del univers.

The Astrophysical Journal Letters ha acceptat diversos articles inicials sobre les dades del CEERS Survey: “A CEERS Discovery of an Accreting Supermassive Black Hole 570 Myr after the Big Bang: Identifying a Progenitor of Massive z > 6 Quasars”, liderat per Larson, “Hidden Little Monsters: Spectroscopic Identification of Low-Mass, Broad-Line AGN at z > 5 with CEERS”, liderat per Kocevski, "Spectroscopic confirmation of CEERS NIRCam-selected galaxies at z ≳ 8-10", dirigit per Arraball Haro, i “CEERS Spectroscopic Confirmation of NIRCam-Selected z ≳ 8 Galaxy Candidates with JWST/NIRSpec: Initial Characterization of their Properties”, liderat per Fujimoto.

El telescopi espacial James Webb és el principal observatori científic espacial del món. Webb resoldrà els misteris del nostre sistema solar, mirarà més enllà, mons llunyans al voltant d'altres estrelles, i sondejarà les misterioses estructures i orígens del nostre univers i el nostre lloc. Webb és un programa internacional dirigit per la NASA amb els socis, l'ESA (Agència Espacial Europea) i l'Agència Espacial Canadenca.

Ho he vist aquí.