Se ha confirmado que las siete galaxias resaltadas en esta imagen del Telescopio Espacial James Webb están a una distancia que los astrónomos denominan corrimiento al rojo 7,9, que se correlaciona con 650 millones de años después del Big Bang. Esto las convierte en las galaxias más antiguas que aún no han sido confirmadas por espectroscopia como parte de un grupo en desarrollo.
Los astrónomos utilizaron el Instrumento de Espectroscopía de Infrarrojo Cercano (NIRSpec) del telescopio para medir distancias con precisión y determinar que las galaxias son parte de un grupo en crecimiento. El Galaxy YD4, que anteriormente se estimaba que estaba ubicado más lejos según los datos de imágenes, pudo ubicarlo con mayor precisión en el mismo corrimiento al rojo que otras galaxias. Antes de Webb, los astrónomos no tenían datos de imágenes de alta resolución o datos infrarrojos espectrales disponibles para hacer este tipo de ciencia.
A grandes distancias, los astrónomos utilizan la señal de desplazamiento hacia el rojo para explicar el hecho de que, a medida que el universo se expande, las longitudes de onda de la luz se estiran y «desplazan» a longitudes de onda más largas y rojas. Las longitudes de onda más cortas, por ejemplo, la luz ultravioleta y los rayos X, se encuentran en el extremo azul del espectro electromagnético. Tan lejos en el universo primitivo se indica por la cantidad de luz que se desplazó a medida que viajaba por el espacio para ser detectada por un telescopio.
Crédito: NASA, ESA, CSA, Takahiro Morishita (IPAC), Alyssa Pagan (STScI)

Protocúmulo confirmado, 650 millones de años después del Big Bang

¿Cómo llegamos aquí? Esta pregunta fundamental se puede aplicar a su mayor escala en la cosmología, que investiga la historia y el origen del universo. Los astrónomos pueden explorar el universo primitivo y su evolución como nunca antes[{» attribute=»»>NASA’s James Webb Space Telescope, including the first galaxies.

The powerful telescope’s latest findings are the first to spectroscopically confirm distances for a young protocluster of galaxies just 650 million years after the big bang. Astronomers think the protocluster represents the earliest stages of what will develop into a massive conglomeration like the Coma Cluster, which includes thousands of gravitationally bound member galaxies.

Image of a distant galaxy protocluster in the early universe, captured by the Near-Infrared Camera (NIRCam) on NASA’s James Webb Space Telescope, with compass arrows, scale bar, and color key for reference.
The north and east compass arrows show the orientation of the image on the sky. Note that the relationship between north and east on the sky (as seen from below) is flipped relative to direction arrows on a map of the ground (as seen from above).
The scale bar is labeled in arc seconds, which is a measure of angular distance on the sky. One arc second is equal to 1/3600 of one degree of arc. (The full Moon has an angular diameter of about 0.5 degrees.) The actual size of an object that covers one arc second on the sky depends on its distance from the telescope.
The color key shows the NIRCam filters used. The color of each filter name is the visible light color used to represent the infrared light that passed through that filter.
Credit: NASA, ESA, CSA, Takahiro Morishita (IPAC), Alyssa Pagan (STScI)

Webb Space Telescope Reveals Early-Universe Prequel to Huge Galaxy Cluster

Every giant was once a baby, though you may never have seen them at that stage of their development. NASA’s James Webb Space Telescope has begun to shed light on formative years in the history of the universe that have thus far been beyond reach: the formation and assembly of galaxies. For the first time, a protocluster of seven galaxies has been confirmed at a distance that astronomers refer to as redshift 7.9, or a mere 650 million years after the big bang. Based on the data collected, astronomers calculated the nascent cluster’s future development, finding that it will likely grow in size and mass to resemble the Coma Cluster, a monster of the modern universe.

“This is a very special, unique site of accelerated galaxy evolution, and Webb gave us the unprecedented ability to measure the velocities of these seven galaxies and confidently confirm that they are bound together in a protocluster,” said Takahiro Morishita of IPAC-California Institute of Technology, the lead author of the study published in the Astrophysical Journal Letters.

The precise measurements captured by Webb’s Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec) were key to confirming the galaxies’ collective distance and the high velocities at which they are moving within a halo of dark matter – more than two million miles per hour (about one thousand kilometers per second).

The spectral data allowed astronomers to model and map the future development of the gathering group, all the way to our time in the modern universe. The prediction that the protocluster will eventually resemble the Coma Cluster means that it could eventually be among the densest known galaxy collections, with thousands of members.

“We can see these distant galaxies like small drops of water in different rivers, and we can see that eventually, they will all become part of one big, mighty river,” said Benedetta Vulcani of the National Institute of Astrophysics in Italy, another member of the research team.

Este video explica cómo las galaxias muy distantes son magnificadas por el fenómeno de lente gravitacional. Las lentes gravitacionales pueden amplificar la luz de galaxias distantes en o cerca del pico de formación estelar. Este efecto permite a los investigadores estudiar los detalles de las primeras galaxias demasiado distantes para ser vistas incluso con los telescopios espaciales más potentes. Crédito: NASA, ESA, STScI y Leah Hustak (STScI)

Los cúmulos de galaxias son las mayores concentraciones de masa en el universo conocido, lo que puede distorsionar la estructura misma del espacio-tiempo. Esta deformación, llamada lente gravitacional, puede tener un efecto de aumento en los objetos fuera del cúmulo, lo que permite a los astrónomos mirar a través del cúmulo como una lupa gigante (ver video arriba). El equipo de investigación pudo aprovechar este efecto al buscar a través del cúmulo de Pandora para ver el cúmulo sin procesar; Incluso las poderosas herramientas de Webb necesitan la ayuda de la naturaleza para estar al día.

Explorar cómo se unieron por primera vez cúmulos grandes como Pandora y Coma ha sido un desafío debido a la expansión del universo de luz más allá de las longitudes de onda visibles hacia el infrarrojo, ya que los astrónomos carecían de datos de alta resolución antes que Webb. Los instrumentos infrarrojos de Webb se desarrollaron específicamente para llenar estos vacíos (ver video a continuación) al comienzo de la historia del universo.

Descubra cómo los telescopios hacen posible volver a visitar el tiempo y estudiar la historia del universo, y cómo el telescopio espacial James Webb de la NASA aportará nuevos detalles sobre la evolución de las galaxias a lo largo del tiempo. Las primeras páginas de la historia cósmica están en blanco, pero Webb nos permitirá mirar más atrás en el tiempo que nunca, ayudando a completar las páginas que faltan de la historia del universo. Crédito: NASA, ESA, CSA, L. Hustak y D. Player (STScI)

Las siete galaxias confirmadas por primera vez por Webb se establecieron como candidatas para la observación utilizando datos de[{» attribute=»»>Hubble Space Telescope’s Frontier Fields program. The program dedicated Hubble time to observations using gravitational lensing, to observe very distant galaxies in detail. However, because Hubble cannot detect light beyond near-infrared, there is only so much detail it can see. Webb picked up the investigation, focusing on the galaxies scouted by Hubble and gathering detailed spectroscopic data in addition to imagery.

The research team anticipates that future collaboration between Webb and NASA’s Nancy Grace Roman Space Telescope, a high-resolution, wide-field survey mission, will yield even more results on early galaxy clusters. With 200 times Hubble’s infrared field of view in a single shot, Roman will be able to identify more protocluster galaxy candidates, which Webb can follow up to confirm with its spectroscopic instruments. The Roman mission is currently targeted for launch by May 2027.

“It is amazing the science we can now dream of doing, now that we have Webb,” said Tommaso Treu of the University of California, Los Angeles, a member of the protocluster research team. “With this small protocluster of seven galaxies, at this great distance, we had a one hundred percent spectroscopic confirmation rate, demonstrating the future potential for mapping dark matter and filling in the timeline of the universe’s early development.”

Reference: “Early Results from GLASS-JWST. XIV. A Spectroscopically Confirmed Protocluster 650 Million Years after the Big Bang” by Takahiro Morishita, Guido Roberts-Borsani, Tommaso Treu, Gabriel Brammer, Charlotte A. Mason, Michele Trenti, Benedetta Vulcani, Xin Wang, Ana Acebron, Yannick Bahé, Pietro Bergamini, Kristan Boyett, Marusa Bradac, Antonello Calabrò, Marco Castellano, Wenlei Chen, Gabriella De Lucia, Alexei V. Filippenko, Adriano Fontana, Karl Glazebrook, Claudio Grillo, Alaina Henry, Tucker Jones, Patrick L. Kelly, Anton M. Koekemoer, Nicha Leethochawalit, Ting-Yi Lu, Danilo Marchesini, Sara Mascia, Amata Mercurio, Emiliano Merlin, Benjamin Metha, Themiya Nanayakkara, Mario Nonino, Diego Paris, Laura Pentericci, Piero Rosati, Paola Santini, Victoria Strait, Eros Vanzella, Rogier A. Windhorst and Lizhi Xie, 24 April 2023, Astrophysical Journal Letters.
DOI: 10.3847/2041-8213/acb99e

The James Webb Space Telescope is the world’s premier space science observatory. Webb will solve mysteries in our solar system, look beyond to distant worlds around other stars, and probe the mysterious structures and origins of our universe and our place in it. Webb is an international program led by NASA with its partners, ESA (European Space Agency) and the Canadian Space Agency.