Orígenes y lugar

Miles de galaxias —incluidos los objetos más tenues jamás observados en el infrarrojo— han aparecido por primera vez en la vista captada por James Webb… Una porción del vasto universo: el tamaño de un grano de arena, sostenido a la distancia de un brazo extendido por una persona en tierra. Créditos: NASA, ESA, CSA y STScI

JAMES WEBB:

A explorar orígenes de nuestro
universo y nuestro lugar en él

James Webb acaba de ofrecer la imagen infrarroja más profunda del universo hasta la fecha

El telescopio espacial James Webb es el principal observatorio de ciencias espaciales del mundo. Y actúa para resolver los misterios de nuestro sistema solar, verá más allá de mundos distantes alrededor de otras estrellas y explorará las misteriosas estructuras y los orígenes de nuestro universo y nuestro lugar en él.

Histórico momento para recordar la teoría del Big Bang y el origen del Universo, la historia de tal teoría e insistir en el interrogante: ¿Universo abierto o cerrado? ¿Finito o infinito?

Webb, el programa internacional dirigido por la NASA con sus socios: la Agencia Espacial Europea y la Agencia Espacial Canadiense. Y su telescopio —James Webb— acaba de producir la imagen infrarroja más profunda y nítida del universo lejano hasta la fecha.

El primer campo profundo de Webb es el cúmulo de galaxias SMACS 0723 y está repleto de miles de galaxias, incluidos los objetos más tenues jamás observados en el infrarrojo.

La imagen de Webb abarca una minúscula porción del vasto universo, que aparecería del tamaño de un grano de arena sostenido a la distancia de un brazo extendido para alguien que observara desde tierra. La masa combinada de este cúmulo de galaxias actúa como una lente gravitacional, aumentando galaxias más distantes, incluyendo algunas que aparecieron cuando el universo tenía menos de mil millones de años de edad.

Este campo profundo, tomado con la cámara del infrarrojo cercano (NIRCam, por sus siglas en inglés) de Webb, es una imagen compuesta hecha de imágenes en diferentes longitudes de onda, con un total de 12,5 horas de exposición. Y alcanza profundidades en longitudes de onda del infrarrojo más allá de los campos más profundos del telescopio espacial Hubble, que llevaban semanas. Y esto es solo el principio. Los investigadores seguirán utilizando el Webb para tomar exposiciones más largas, a fin de revelar más de nuestro vasto universo.

Un aspecto del interior de la Nasa y sus científicos en acción.

Esta imagen muestra el cúmulo de galaxias SMACS 0723 como lucía hace 4.600 millones de años, con muchas más galaxias por delante y por detrás del cúmulo. Cuando los investigadores comiencen a indagar en los datos de Webb, se revelará mucha más información sobre este cúmulo. Este campo también fue fotografiado por el instrumento del infrarrojo medio (MIRI, por sus siglas en inglés), que observa la luz en el infrarrojo medio.

La cámara NIRCam de Webb ha enfocado nítidamente galaxias distantes: tienen estructuras diminutas y tenues que nunca antes habían sido observadas, incluidos cúmulos de estrellas y características difusas.

La luz de estas galaxias tardó miles de millones de años en llegar hasta nosotros. Cuando miramos las galaxias más jóvenes de este campo, estamos observando hacia el pasado hasta menos de mil millones de años después del Big Bang. La luz se estiró por la expansión del universo hasta longitudes de onda del infrarrojo que Webb está diseñado para observar. La comunidad científica pronto comenzará a conocer más acerca de la masa, la edad, la historia y la composición de estas galaxias.

Los investigadores pronto empezarán a saber más sobre las masas, edades, historias y composiciones de las galaxias, ya que el James Webb busca las primeras galaxias que se formaron después del Big Bang. Conocida como el primer campo profundo de Webb, la imagen del cúmulo de galaxias SMACS 0723 rebosa detalles.

La teoría del Big Bang y el origen del Universo

El Big Bang, literalmente gran estallido, constituye el momento en que de la “nada” emerge toda la materia, es decir, el origen del Universo.

Segun esta teoría (Big Bang Theory, no “big ban” como a veces se nombra), la materia era un punto infinitamente pequeño y de altísima densidad que, en un momento dado, explotó y se expandió en todas las direcciones, creando lo que conocemos como nuestro Universo, lo que incluye también el espacio y el tiempo. Esto ocurrió hace unos 13.800 millones de años. Los físicos teóricos han logrado reconstruir esta cronología de los hechos a partir de un 1/100 de segundo después del Big Bang.

Después de la explosión, al tiempo que el Universo se expandía (de la misma manera que al inflar un globo éste va ocupando más espacio), se enfrió lo suficiente y se formaron las primeras partículas subatómicas: Electrones, Positrones, Mesones, Bariones, Neutrinos, Fotones y un largo etcétera hasta la más de 90 partículas conocidas hoy en día.

Más tarde se formaron los átomos. Mientras, debido a la gravedad, la materia se fue agrupando hasta formar nubes de estos elementos primordiales. Algunas crecieron tanto que empezaron a surgir estrellas y formaron galaxias.

Historia de la Teoría del Big Bang

En 1948 el físico ruso nacionalizado estadounidense George Gampw modificó la teoría de Lemaître del núcleo primordial. Gamow planteó que el Universo se creó en una explosión gigantesca y que los diversos elementos que hoy se observan se produjeron durante los primeros minutos después de la Gran Explosión, cuando la temperatura extremadamente alta y la densidad del Universo fusionaron partículas subatómicas en los elementos químicos.

Cálculos más recientes indican que el hidrógeno y el helio habrían sido los productos primarios del Big Bang, y los elementos más pesados se produjeron más tarde, dentro de las estrellas. La teoría de Gamow, aunque elemental y luego rectificada, proporciona una base para la comprensión de los primeros estadios del Universo y su posterior evolución.

La materia existente en los primeros momentos del Universo se expandió con rapidez. Al expandirse, el helio y el hidrógeno se enfriaron y se condensaron en estrellas y en galaxias. Esto explica la expansión del Universo y constituye la base física de la ley de Hubble.

Según se expandía el Universo, la radiación residual del Big Bang continuó enfriándose, hasta llegar a una temperatura de unos 3 °K (-270 °C). Estos vestigios de radiación de fondo de microondas fueron detectados por los radioastrónomos en 1964, proporcionando así lo que la mayoría de los astrónomos consideran la confirmación de la teoría del Big Bang.

Las recientes mediciones del corrimiento al rojo de las supernovas, atribuidas de momento a la energía oscura, indican que la expansión del universo, lejos de frenarse, se está acelerando. El estudio de los agujeros negros y el reciente descubrimiento de las ondas gravitacionales siguen aportando más datos interesantes. Parece que la investigación sobre el Big Bang tiene todavía por delante un largo recorrido.

¿Universo abierto o cerrado? ¿Finito o infinito?

Uno de los grandes problemas científicos sin resolver en el modelo del Universo en expansión es si el Universo es abierto o cerrado (esto es, si se expandirá indefinidamente o se volverá a contraer).

Un intento de resolver este problema es determinar si la densidad media de la materia en el Universo es mayor que el valor crítico en el modelo de Friedmann. La masa de una galaxia se puede medir observando el movimiento de sus estrellas; multiplicando la masa de cada galaxia por el número de galaxias se ve que la densidad es sólo del 5 al 10% del valor crítico. La masa de un cúmulo de galaxias se puede determinar de forma análoga, midiendo el movimiento de las galaxias que contiene. Al multiplicar esta masa por el número de cúmulos de galaxias se obtiene una densidad mucho mayor, que se aproxima al límite crítico, lo cual “parece indicar” que el Universo está cerrado.

La diferencia entre estos dos métodos sugiere la presencia de materia invisible, la llamada materia oscura, dentro de cada cúmulo, pero fuera de las galaxias visibles. Hasta que se comprenda el fenómeno de la masa oculta, este método de determinar el destino del Universo será poco convincente.

Crédito: https://www.astromia.com/

Otras características

Incluyen las prominentes curvaturas de este campo. El poderoso campo gravitacional de un cúmulo de galaxias puede curvar los rayos de luz de las galaxias más lejanas que se encuentran detrás de él, del mismo modo como una lupa dobla y distorsiona las imágenes. Las estrellas también fueron capturadas con sobresalientes picos de difracción, a la vez que parecen más brillantes en las longitudes de onda más cortas.

Este paisaje de “montañas” y “valles” salpicados de estrellas brillantes es en realidad el borde de una región cercana y joven donde se forman
estrellas, llamada NGC 3324, en la nebulosa de Carina. Esta imagen, capturada en luz infrarroja por el nuevo telescopio espacial James Webb
de la NASA, revela por primera vez regiones de nacimiento estelar que antes eran invisibles. Llamados los precipicios cósmicos, la imagen
aparentemente tridimensional de Webb luce como montañas escarpadas en una noche iluminada por la Luna. En realidad, es el borde de la
cavidad gaseosa gigante que está dentro de NGC 3324, y los “picos” más altos en esta imagen tienen una altura aproximada de 58 años luz.
La zona cavernosa ha sido tallada en la nebulosa por la intensa radiación ultravioleta y los vientos estelares de estrellas jóvenes
extremadamente grandes y calientes, ubicadas en el centro de la burbuja, sobre el área que se muestra en esta imagen.
Créditos: NASA, ESA, CSA y STScI

La imagen tomada por el instrumento MIRI de Webb ofrece un caleidoscopio de colores y resalta los lugares donde hay polvo, un ingrediente importante para la formación de estrellas y, en última instancia, para la vida misma. Las galaxias azules contienen estrellas, pero muy poco polvo. Los objetos rojos en este campo están envueltos en gruesas capas de polvo. Las galaxias verdes están pobladas de hidrocarbonos y otros compuestos químicos. Los investigadores podrán usar datos como estos para entender cómo las galaxias se forman, crecen y se fusionan, y por qué en algunos casos dejan de crear estrellas por completo.

Además de tomar imágenes, dos de los instrumentos de Webb también obtuvieron espectros, que son datos que revelan las propiedades físicas y químicas de los objetos, y que ayudarán a los investigadores a identificar muchos detalles más acerca de las galaxias distantes en este campo. El conjunto de microobturadores del espectrógrafo del infrarrojo cercano (NIRSpec, por sus siglas en inglés) observó 48 galaxias individuales al mismo tiempo —una nueva tecnología utilizada por primera vez en el espacio— enviando un paquete completo de detalles acerca de cada una de ellas. Los datos revelaron la luz de una galaxia que viajó durante 13.100 millones de años antes de que los espejos de Webb la captaran. Los datos de NIRSpec también demostraron lo detallados que serán los espectros de las galaxias con las observaciones de Webb.

Por último, el generador de imágenes del infrarrojo cercano y el espectrógrafo sin rendija (NIRISS, por sus siglas en inglés) utilizaron su espectroscopia sin rendija de campo amplio para capturar espectros de todos los objetos en todo el campo de visión a la vez. Entre los resultados, esto demuestra que una de las galaxias tiene una imagen en espejo, o imagen especular.

SMACS 0723 se puede ver cerca de la constelación de Volans, el Pez Volador, en el cielo del hemisferio sur.

El telescopio espacial James Webb es el principal observatorio de ciencias espaciales del mundo. Webb resolverá los misterios de nuestro sistema solar, verá más allá de mundos distantes alrededor de otras estrellas y explorará las misteriosas estructuras y los orígenes de nuestro universo y nuestro lugar en él. Webb es un programa internacional dirigido por la NASA con sus socios: la Agencia Espacial Europea y la Agencia Espacial Canadiense.

La sede de la NASA supervisa la misión para la Dirección de Misiones Científicas de la agencia. El Centro Espacial de Vuelo Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, administra Webb para la agencia y supervisa el trabajo en la misión realizado por el Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial, Northrop Grumman y otros socios de la misión. Además del centro Goddard, varios centros de la NASA contribuyeron al proyecto, incluyendo el Centro Espacial Johnson de la agencia en Houston, el Laboratorio de Propulsión a Chorro en el sur de California, el Centro de Vuelo Espacial Marshall en Huntsville, Alabama y el Centro de Investigación Ames en Silicon Valley, California, entre otros.

NIRCam fue construido por un equipo de la Universidad de Arizona y el Centro de Tecnología Avanzada de Lockheed Martin.

El telescopio espacial James Webb de la NASA ha captado la señal inconfundible del agua, junto con evidencia de
nubes y bruma, en la atmósfera que rodea WASP-96b, un planeta gigante gaseoso, caliente e inflado, que orbita alrededor de
una estrella distante parecida al Sol. La observación, que revela la presencia de moléculas de gas específicas, con base en pequeñas
disminuciones en el brillo de colores de luz precisos, es la más detallada de su tipo hasta la fecha, demostrando la capacidad sin precedentes
de Webb de analizar atmósferas a cientos de años luz de distancia. Si bien el telescopio espacial Hubble ha analizado numerosas atmósferas
de exoplanetas en las últimas dos décadas, capturando la primera detección clara de agua en 2013, la observación inmediata y más detallad
de Webb marca un gigante paso adelante en la búsqueda para caracterizar planetas potencialmente habitables más allá de la Tierra.
Créditos: NASA, ESA, CSA, y STScI

MIRI fue aportado por la Agencia Espacial Europea y la NASA, y su instrumento fue diseñado y construido por un consorcio de Institutos Europeos (el Consorcio Europeo de MIRI) financiados a nivel nacional en asociación con el Laboratorio de Propulsión a Chorro y la Universidad de Arizona.

NIRIS fue aportado por la Agencia Espacial Canadiense. Este instrumento fue diseñado y construido por Honeywell en colaboración con la Universidad de Montreal y el Consejo Nacional de Investigaciones de Canadá.

NIRSpec fue construido para la Agencia Espacial Europea por un consorcio de empresas europeas dirigido por Airbus Defence and Space (ADS), y el Centro Espacial de Vuelo Goddard proporcionó su detector y los subsistemas de microobturadores.

Para obtener un conjunto completo de las primeras imágenes y espectros de Webb, incluidos los archivos descargables, por favor visita:
https://webbtelescope.org/news/first-images

Créditos: NASA, ESA, CSA y STScI.