Protocluster

La materia del universo, en la era estelífera en que vivimos, está organizada en estrellas (como el Sol), galaxias (que son sistemas de estrellas), cúmulos de galaxias (que son sistemas de galaxias), y supercúmulos (que son sistemas de cúmulos de galaxias). No hay estructuras más grandes, no hay "cúmulos de supercúmulos". La jerarquía se detiene allí, y llena el universo formando una especie de espuma, con grandes vacíos entre los supercúmulos y filamentos que los conectan. ¿Cómo llegó el universo a ser así? Tenemos dos herramientas para saberlo: primero, la física, capaz de describirnos matemáticamente la evolución del universo porque las leyes de la física son las mismas en todos lados y en todo momento. Segundo, Francia. Y tercero, la observación, porque la física es una ciencia empírica. El telescopio Webb está acumulando rápidamente las observaciones que servirán para entender la primera fase de la formación de esta estructura.

Este es el cúmulo Pandora, nombre informal de cúmulo Abell 2744, en la constelación de Sculptor. Es un supercúmulo, formado por al menos cuatro cúmulos menores (en este recorte se distinguen a simple vista al menos dos agrupamientos de las galaxias blancas que lo forman). Está a 4 mil millones de años luz de nosotros, así que lo vemos tal como era cuando la Tierra estaba recién formada en el sistema solar primitivo, y tal vez ya tenía alguna forma de vida rudimentaria. Es un objeto fascinante en sí mismo, pero no es lo que quería mostrar. 

Una grupo de astrónomos ha usado el cúmulo Pandora como si fuera unos anteojitos delante del Webb, para observar un sistema de galaxias aún más lejanas. Están marcadas en este recorte:

Esos cinco recuadritos encierran siete galaxias, siete galaxias extremadamente rojas, extremadamente lejanas, extremadamente antiguas:

Estas galaxias tienen un redshift confirmado espectroscópicamente de 7.9, lo cual se traduce en una distancia de casi 30 mil millones de años luz de nosotros. Más apropiadamente, vale decir que los vemos tal como eran hace 13100 millones de años, apenas 650 millones de años después del Big Bang. En esa temprana era del universo, de todos modos, ya tenemos esas 7 galaxias ligadas gravitacionalmente, interactuando, y en camino a convertirse, hoy en día, en un cúmulo como el de Virgo (ellos lo comparan con el de Coma, pero nunca hablé de él en el blog). Es un protocúmulo. La masa total estimada en las siete galaxias es más o menos la mitad que la de la Vía Láctea solita. Unas 10 mil veces menos que la masa que deben tener hoy en día. En esa temprana época todavía les estaba lloviendo hidrógeno primordial, y seguramente les faltaba fusionarse con otros grupos vecinos. Las vemos separadas en la foto, pero teniendo en cuenta el efecto de magnificación que produce el Pandora, resulta que están apretaditas en una región de sólo 200 mil años luz (dos vías lácteas).

Esta observación es parte de uno de los ambiciosos programas de observaciones profundas del Webb, llamado GLASS-JWST, y está contada en el paper XIV de sus "resultados iniciales". Los espectros se obtuvieron con exposiciones de menos de 5 horas. El Webb es tremendo. 

Coincidentemente, también se publicaron resultados iniciales de otro de los programas que observan el universo temprano: ASPIRE. En este caso se trata del componente que complementa a los cúmulos en la formación de la espuma de materia cósmica, conectándolos: un proto-filamento:

Las galaxias que lo forman están marcadas con circulitos. En uno de ellos (el que indica la flecha) hay además un quasar (sean buenos y digan cuéisar, más que nada para mandarse la parte). El quasar es el núcleo activo de una de las galaxias: un agujero negro gigante con un chorro de materia y energía, tan pequeño en comparación con las galaxias que en la foto del Webb tiene las 6 puntas características de las estrellas (quasar significa "quasi stellar", if you know what I mean). Vemos este filamento poco después de que comenzó a formarse, 800 millones de años después del Big Bang:

Hoy, como el otro, debe ser pesado como cualquiera de los cúmulos que vemos a nuestro alrededor.

Estos no son los primeros protocúmulos que se conocen. El de GLASS, por ahora, es el más antiguo. Pero esos récords son efímeros e irrelevantes: lo importante es acumular sus observaciones, entender cómo funcionan como población dinámica, y usarlos para mejorar los modelos matemáticos que nos dirán cómo el universo llegó a ser como es. 

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El primer paper es Morishita et al., Early Results from GLASS-JWST. XIV. A Spectroscopically Confirmed Protocluster 650 Million Years after the Big Bang, ApJL 947:L24 (2023).

El segundo es: Wang et al., A SPectroscopic survey of biased halos In the Reionization Era (ASPIRE): JWST reveals a filamentary structure around a z=6.61 quasar, ApJL 951:L4 (2023).