Rojo profundo

“There is certainly a red for everyone.”
Christian Dior

La semana pasada, cuando comenté las primeras imágenes difundidas por el Telescopio Espacial Webb, dije al final que la ciencia del Webb apenas estaba empezando. ¡No me imaginé que sería tan rápido! Al día siguiente un tweet me alertó de una publicación sobre dos notables galaxias aun más lejanas que la que ya comentamos, esa galaxia a 13100 millones de años de lookback time (no sé cómo decirlo en castellano, tal vez "antes del presente"). Una de las nuevas galaxias lejanas es ésta:

Esa manchita roja es la galaxia GLASS-z13, y los autores argumentan que es candidata a ser de hace 13400 millones de años, apenas 330 millones de años después del Big Bang, cuando el universo era muy distinto, tenía sólo el 2% de su edad actual, el 7% del tamaño y la radiación cósmica de microondas estaba más de 10 veces más caliente que ahora. La distancia actual de esta galaxia sería 33500 millones de años luz. Reguau.

¿Por qué "candidata"? Porque, a diferencia de la galaxia lejana que comentamos la semana pasada, no hay todavía un espectro para medir con precisión su distancia. Lo que hay es una especie de espectro berreta, muy ingenioso, que funciona de la siguiente manera. Webb toma fotos a través de un montón de filtros de banda ancha, como muchos aficionados actuales. Cuánta luz pasa a través de cada filtro determina el "color" de la imagen final (que por otro lado, está convertida a colores visibles para que podamos verla). Estas son las imágenes filtro por filtro de GLASS-z13:

Es como hacer un espectro de muy baja resolución, con sólo siete longitudes de onda. ¿Ven cómo la galaxia se distingue (manchita señalada con dos rayitas) en las cuatro longitudes de onda más larga? (puse "rojo" y "azul" entre comillas, porque en realidad es todo infrarrojo). En las tres más "azules" no hay luz. Por eso la imagen a colores, que puse al principio, se ve tan roja. Las estrellas, en cualquier galaxia, emiten luz en todas las longitudes de onda. ¿Dónde fue a parar la radiación de longitud más corta de esta galaxia? Acá es donde la cosa se pone interesante.

Durante los primeros 380 mil años después del Big Bang el universo estaba tan caliente que protones y electrones andaban cada uno por su lado, formando una sustancia eléctrica llamada plasma, que es opaca a la radiación electromagnética (como la superficie del Sol). Finalmente se enfrió lo suficiente para que se formaran átomos (casi todo hidrógeno, con un electrón unido a un protón), en un gran evento cósmico llamado recombinación. El universo se hizo transparente, y la radiación electromagnética pudo viajar libremente por siempre jamás, y es la que hoy vemos como radiación cósmica de fondo, o de microondas. Ahora bien, el hidrógeno es transparente a buena parte de la radiación electromagnética, ¡pero no a toda! Cualquier fotón que tenga una energía de más de 13.6 electronvoltios (una longitud de onda de 91 nanómetros, o sea ultravioleta), como sabe calcular cualquier alumno de Cuántica I, es capaz de ionizar el hidrógeno: le da toda su energía al electrón, que se separa del núcleo y viaja libre (como antes de la recombinación). Las estrellas producen mucho ultravioleta, y en esa época toda esa radiación muy energética resultaba absorbida por el hidrógeno, que se volvía a ionizar. Cuando vemos GLASS-z13, la vemos como era en esa época, así que le faltan todos los colores desde los 91 nanómetros para arriba, que fueron absorbidos por el hidrógeno. 

¿Pero cómo, la foto de Webb no es infrarroja? ¿Qué tiene que ver el ultravioleta? ¡Es que el universo se expandió! Hay que entender que la expansión del universo no son las galaxias alejándose unas de otras, sino que es un estiramiento de todo el espacio mismo. Así que la longitud de onda de 91 nm de entonces se estiró, se estiró y se estiró, y ahora la vemos como entre 1500 y 2000 nm (entre los filtros F150W y F200W), que es donde desparece la imagen de la galaxia. Los autores calculan un estiramiento de unas 14 veces (redshift z = 13, de ahí el nombre), y eso la ubica a 13400 millones de años antes del presente. ¿Por qué "candidata", entonces? Bueno, la desaparición de las longitudes de onda más cortas podría deberse a su absorción por alguna cosa más reciente que la luz se encontró en su camino hacia nosotros, polvo típicamente. Futuros espectros que el propio JWST pueda hacer confirmarán (o no) el resultado, pero a mí me parece bastante sólido, por otros detalles que me ahorro aquí.

GLASS-z13 no es la única galaxia de este tipo que encontraron: en este primer trabajo identificaron cinco, dos de ellas muy brillantes, la que acabamos de comentar y otra, GLASS-z11. En algún sentido, esta última es más interesante todavía, porque se la ve más grandecita:

A partir de estos pocos píxels los astrónomos pueden estimar la morfología y la masa de la galaxia (usando la fórmula de Sérsic, astrónomo argentino de la década de 1960). Esta galaxia, tan joven y chiquita como es (mil millones de masas solares, 100 veces menos que la Vía Láctea), tiene sin embargo forma de disco. 

¿Es GLASS-z13 la galaxia más antigua conocida, como anunciaron algunos titulares? No tiene mayor importancia. En astronomía, los récords de este tipo son tan efímeros como irrelevantes. Este trabajo fue el primero que apareció, pero en días sucesivos aparecieron varios más, con estudios independientes de otras imágenes. En algunas incluso se empiezan a observar lo que posiblemente sea su interacción, que las llevó a fusionarse y crecer, como esta Cadena de Cinco a z = 10 (se las distingue mejor en el filtro F200W):

En breve habrá un montón de estas galaxias de la era temprana del hidrógeno neutro del universo (los primeros 400 millones de años). Eso es lo importante: una población, a partir de la cual se pueda empezar a entender la dinámica de cómo se formaron las galaxias, cómo eran sus estrellas, de dónde salieron sus agujeros negros, qué le hicieron al pobre hidrógeno neutro (más sobre esto la semana que viene) y cómo encaja todo lo que se descubra en los modelos astrofísicos.

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La imagen color de la galaxia GLASS-z13 es de: JWST NIRCam (Naidu et al. 2022). Image composite: Gabriel Brammer (Cosmic Dawn Center, Niels Bohr Institute, University of Copenhagen). Raw data: T. Treu (UCLA) and GLASS-JWST. Apareció en el Twitter feed de Naidu, y me llevó al paper, de donde usé las imágenes de GLASS-z11 y GLASS-z13:

Naidu et al., Two Remarkably Luminous Galaxy Candidates at z ~ 11-13 Revealed by JWST (arXiv:2207.09434v1). 

En seguida aparecieron más (y el miércoles dejé de contar):

Adams et al., Discovery and properties of ultra-high redshift galaxies (9 < 𝑧 < 12) in the JWST ERO SMACS 0723 Field (arXiv:2207.11217v1).

Yan et al., First Batch of Candidate Galaxies at Redshifts 11 to 20 Revealed by the James Webb Space
Telescope Early Release Observations (arXiv:2207.11558v1). De aquí es la imagen de la Cadena de Cinco. ¡En este trabajo hay candidatas a redshift 20! Como ésta a z = 20.4, 177 millones de años post Big Bang, con el fondo de microondas casi para el agua del mate (bueno, no, es la temperatura de fusión del nitrógeno sólido, 50 y pico kelvins):

Finkelstein et al., A Long Time Ago in a Galaxy Far, Far Away: A Candidate z ~ 14 Galaxy in Early JWST CEERS Imaging (preprint).

Atek et al., Revealing Galaxy Candidates out to 𝑧 ~ 16 with JWST Observations of the Lensing Cluster SMACS0723 (arXiv:2207.12338v1).

Donnan et al., The evolution of the galaxy UV luminosity function at redshifts z ~ 8-15 from deep JWST and ground-based near-infrared imaging (arXiv:2207.12356v1). 

También es muy recomendable la "versión científica" de las primeras imágenes:

Pontoppidan et al., The JWST Early Release Observations (arXiv:2207.13067v1).

Y finalmente, el primer análisis de la evolución química de tres galaxias en esa temprana época (éste sí, hecho con espectros posta):

Curti et al., The chemical enrichment in the early Universe as probed by JWST via direct metallicity measurements at z ~ 8 (arXiv:2207.12375v2).