Desde que comenzó a proporcionar sus primeros resultados en julio de 2022, el telescopio espacial James Webb (JWST) ha proporcionado imágenes impresionantes del universo que incluyen observaciones de las galaxias más distantes y vírgenes que jamás hayamos visto. Pero, ¿cómo sabemos que realmente son tan viejos?
Recientemente, se confirmó que el JWST en realidad observó cuatro de las galaxias más distantes y, por lo tanto, más antiguas conocido hasta la fecha, que existió cuando los 13.800 millones de años universo no más de unos 350 millones de años.
Y el Telescopio espacial James Webb no es el único que detecta lejos y temprano galaxias. En diciembre de 2022, el Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) detectó una tenue luz de radio de un planeta igualmente antiguo estrella agrupaciones Esta luz comenzó su viaje hacia nosotros cuando el universo tenía menos de 360 millones de años.
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Pero, ¿cómo pueden los científicos estar tan seguros de que las galaxias que están viendo están tan lejos y proceden de una época tan temprana de la historia cósmica? Seguramente, dado que la distancia es difícil de medir en el espacio, ¿podrían estas galaxias estar más cerca y, por lo tanto, más contemporáneas?
Resulta que hay bastantes formas en que los astrónomos pueden verificar sus medidas de distancia y tiempo, incluso para galaxias en el borde de nuestro horizonte cósmico.
¿Por qué mirar a lo lejos también significa mirar atrás en el tiempo?
El vínculo entre el tiempo y la distancia en el espacio proviene del hecho de que la luz no viaja instantáneamente. En cambio, la luz en el vacío viaja a una velocidad definida de aproximadamente 3,0 x10⁸ metros por segundoaunque no te molestes en recordarlo, los científicos suelen llamarlo w.
Esto significa que todo lo que miramos, por muy cerca que esté, se está viendo en algún momento del pasado. Para objetos como el gato del vecino que vuelve a entrar en tu jardín, la diferencia de tiempo entre que la luz sale y llega a nuestros ojos es insignificante. El tiempo de viaje de la luz solo comienza a marcar una diferencia medible cuando se consideran objetos en el espacio.
Posiblemente, la forma más natural de pensar en esto es en términos de la fuente de luz más omnipresente de la Tierra, el Sol. El sol está a unos 150 millones de kilómetros (93 millones de millas) de distancia o alrededor 8,33 minutos luz de la Tierra (se abre en una pestaña nueva), lo que significa que siempre vemos el sol como era hace unos 8 minutos y 20 segundos. Si el sol desapareciera repentinamente, la Tierra no caería en la oscuridad durante unos 8 minutos. un observador en Uranoque está casi 20 veces más lejos de la estrella que la Tierra, no te darías cuenta por 2 horas y 40 minutos. (se abre en una pestaña nueva)
Este tiempo de viaje de la luz se vuelve realmente significativo cuando comenzamos a observar el universo con poderosos instrumentos como JWST, ALMA y el telescopio espacial Hubble.
Entonces, por ejemplo, la galaxia más distante detectada por Hubble es GN-z11 (se abre en una pestaña nueva)que se encuentra a unos 13.400 millones años luz ausente. Esto significa que la luz ha estado viajando hacia nosotros durante más de 13 mil millones de años y el Hubble nos permite verla tal como era 300 a 400 millones de años después de la Big Bang. A esa luz le pueden pasar muchas cosas durante sus miles de millones de años atravesando el universo para llegar a nosotros, y estos efectos son clave para confirmar la edad y la distancia de estos objetos.
¿Qué es el corrimiento al rojo y cómo puede medir la edad y la distancia?
El universo no es estático, se expande y a medida que avanza esta expansión, el espacio entre las galaxias se estira como la goma de un globo inflado, que a su vez afecta la luz (se abre en una pestaña nueva) viajando a través de él.
Aunque la luz está compuesta de partículas llamadas fotones, también tiene una naturaleza ondulatoria. Los físicos se refieren a esta dicotomía como «dualidad partícula-onda». (se abre en una pestaña nueva) Como todas las ondas, la luz tiene una longitud de onda (la distancia entre dos «picos» a lo largo de la onda) y una frecuencia (el número de veces que un pico pasa por un punto definido cada segundo) que son inversamente proporcionales entre sí y están conectados entre sí. la energía que lleva la luz.
Entonces, por ejemplo, la luz de longitud de onda larga, digamos las ondas de radio, tiene baja frecuencia y baja energía, mientras que la luz de longitud de onda corta, los rayos X, por ejemplo, tienen alta frecuencia y alta energía. O espectro electromagnético va desde la luz de longitud de onda larga, como las microondas, las ondas de radio y la luz infrarroja, hasta la luz de longitud de onda corta, como los rayos X y los rayos gamma, la forma de luz más energética.
La expansión del universo es haciendo que las galaxias se alejen unas de otras, con objetos más distantes alejándose más rápido. Esto da como resultado que la longitud de onda de la luz se «estire» hacia las frecuencias más largas y rojas del espectro electromagnético. Este es un fenómeno llamado «desplazamiento al rojo».
Cuanto más distante es la galaxia y, por lo tanto, cuanto más atrás en el tiempo se encuentra, más se desplaza su luz originalmente visible hacia el infrarrojo cercano o incluso hacia el infrarrojo. Es por eso que el JWST ve el universo en infrarrojo e infrarrojo cercano; es la mejor manera de ver galaxias muy antiguas y lejanas.
El corrimiento al rojo se mide en z (se abre en una pestaña nueva) con valores más grandes que indican un mayor corrimiento al rojo, por lo que las primeras galaxias tienen una z más alta. Por ejemplo, la primera galaxia detectada por Hubble GN-z11 (se abre en una pestaña nueva) tiene z-11.1. Las cuatro galaxias más antiguas detectadas por JWST, algunas de las cuales son más distantes y más antiguas que la galaxia observada por Hubble, JADES-GS-z10–0, JADES-GS-z11–0, JADES-GS-z12–0 y JADES -GS -z13–0, tiene una z entre 10,3 y 13,2.
Lo que revela la luz antigua
Hay una forma importante de calibrar este método de medir distancias cósmicas llamada espectroscopia (se abre en una pestaña nueva) que también revela información sobre estas primeras galaxias. La espectroscopia aprovecha el hecho de que diferentes elementos químicos emiten y absorben luz en una longitud de onda específica. Esto significa que la luz de galaxias y estrellas distantes lleva la “huella digital” de los elementos que las componen.
Los científicos analizan la longitud de onda de la luz que emite y absorbe un elemento como el oxígeno en un laboratorio aquí en la Tierra y la comparan con lo que ven en el universo. El oxígeno, por ejemplo, provoca una característica en la luz. (se abre en una pestaña nueva) llamado OIII a una longitud de onda de 88 micrómetros aquí en la Tierra. Cuando ALMA observó los espectros de una galaxia distante, los astrónomos vieron OIII en una longitud de onda más larga, 1160 micrómetros, lo que significa que definitivamente se desplazó hacia el rojo.
A partir de la diferencia de longitud de onda entre el laboratorio y la observación astronómica, es fácil calcular el corrimiento al rojo. Entonces, para esta galaxia ALMA z = (1160–88)/88 = 12,2, esto significa que la galaxia tiene un corrimiento al rojo de 12,2. Con algunas matemáticas inteligentes, este valor z revela que la galaxia se ve como era cuando el universo tenía solo 360 millones de años.
La huella química de las galaxias distantes se puede utilizar para confirmar el período de tiempo en el que se ven las galaxias.
Las galaxias primitivas carecían de brillo
El universo primitivo era un mar de hidrógeno y helio con solo un puñado de elementos más pesados, que los astrónomos llaman «metales», como el oxígeno y el nitrógeno. Esas primeras estrellas en las primeras galaxias fueron «pobre en metales (se abre en una pestaña nueva)‘ ya que simplemente no había muchos elementos pesados para incorporar.
Las primeras estrellas convirtieron el hidrógeno en helio a través de la fusión nuclear y luego convirtieron el helio en elementos más pesados, y cuando agotaron este combustible nuclear, ya no pudieron sostenerse contra la presión interna de la gravedad. Esto hizo que los núcleos de estas estrellas colapsaran, provocando explosiones de supernovas masivas que dispersaron los elementos pesados forjados en sus galaxias anfitrionas.
Los restos de estas estrellas se convirtieron en el bloques de construcción de la próxima generación de estrellas (se abre en una pestaña nueva), que era más rico en metales que la generación anterior. El proceso continúa hoy, creando estrellas y galaxias cada vez más ricas en metales.
Eso significa que los astrónomos pueden mirar los espectros de luz de una galaxia para ver qué tan abundante es en elementos pesados para obtener una imagen de la edad del universo en el que se ve. Si carece de metales, esto confirma que es probable que sea una galaxia en el universo primitivo.
Algunas explosiones cósmicas de estrellas moribundas, supernovas tipo Ia, (se abre en una pestaña nueva) tienen una salida de luz tan uniforme que se les llama «velas estándar». Esto significa que mirar el corrimiento al rojo de los espectros de estas supernovas es una buena manera de calcular la distancia en el cosmos y, por lo tanto, ayuda a confirmar qué tan lejos están algunas galaxias y qué tan «recientemente» las estamos viendo.
Recursos adicionales
Redshift es una herramienta de vital importancia para los astrónomos y también revela una física fascinante sobre la luz y la composición de una variedad de objetos celestes. puedes leer sobre eso aquí (se abre en una pestaña nueva).
La dualidad onda-partícula es un elemento de la naturaleza fascinante y aparentemente contradictorio que forma la base de la mecánica cuántica y se extiende más allá de los fotones a la materia física como los electrones e incluso a las moléculas pequeñas como las «bolas de bucky» de carbono-60. puedes leer sobre eso aquí (se abre en una pestaña nueva).
Bibliografía
Webb de la NASA proporciona la imagen infrarroja más profunda del universo, NASA, [2022], [https://www.nasa.gov/image-feature/goddard/2022/nasa-s-webb-delivers-deepest-infrared-image-of-universe-yet]
Lejos, muy lejos: ¿Qué tan lejos está esta galaxia? NRAO, [2023], [https://public.nrao.edu/news/far-far-away-just-how-distant-is-that-galaxy/]
Corrimiento al rojo y Ley de Hubble, Starchild NASA, [accessed 04/06/23], [https://starchild.gsfc.nasa.gov/docs/StarChild/questions/redshift.html]
Desplazamiento Doppler, Centro de Vuelo Goddard de la NASA Imagina el Universo, [accessed 04/06/23], [https://imagine.gsfc.nasa.gov/features/yba/M31_velocity/spectrum/doppler_more.html]
Espectroscopia: lectura del arcoíris, NASA Hubblesite, [accessed 04/06/23], [https://hubblesite.org/contents/articles/spectroscopy-reading-the-rainbow]
INTRODUCCIÓN: ¿QUÉ ES UNA GALAXIA POBRE EN METALES?, CalTech, [accessed 04/06/23], [https://ned.ipac.caltech.edu/level5/Kunth/Kunth1.html]
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