Usando el Telescopio Espacial James Webb (JWST), los investigadores del equipo de Encuesta de Clústeres Indiferentes NIRISS de Canadá (CANUCS) han identificado los cúmulos globulares más distantes jamás descubiertos. Estos densos grupos de millones de estrellas pueden ser reliquias que contienen las primeras y más antiguas estrellas del universo.

El análisis inicial de la primera imagen de campo profundo de Webb, que representa algunas de las primeras galaxias del universo, se publica hoy en The Astrophysical Journal Letters.

«JWST se creó para encontrar las primeras estrellas y las primeras galaxias y para ayudarnos a comprender los orígenes de la complejidad del universo, como los elementos químicos y los componentes básicos de la vida», dice Lamiya Mowla, becaria Dunlap en el Instituto Dunlap de Astronomía y Astrofísica de la Universidad de Toronto y coautor principal del estudio. «Este descubrimiento en el Primer Campo Profundo de Webb ya proporciona una visión detallada de la fase más temprana de la formación de estrellas, lo que confirma el increíble poder de JWST».

En la imagen finamente detallada del primer campo profundo de Webb, los investigadores se concentraron en lo que llamaron «la galaxia Sparkler», que está a nueve mil millones de años luz de distancia. Esta galaxia obtuvo su nombre por los objetos compactos que aparecen como pequeños puntos amarillos y rojos que la rodean, a los que los investigadores se refieren como «destellos». El equipo postuló que estos destellos podrían ser cúmulos jóvenes que se están formando activamente, nacidos tres mil millones de años después del Big Bang en el pico de la formación estelar, o cúmulos globulares viejos. Los cúmulos globulares son colecciones antiguas de estrellas de la infancia de una galaxia y contienen pistas sobre sus primeras fases de formación y crecimiento.

A partir de su análisis inicial de 12 de estos objetos compactos, los investigadores determinaron que cinco de ellos no son solo cúmulos globulares, sino que se encuentran entre los más antiguos conocidos.

«Observar las primeras imágenes del JWST y descubrir viejos cúmulos globulares alrededor de galaxias distantes fue un momento increíble, algo que no fue posible con las imágenes anteriores del Telescopio Espacial Hubble», dice Kartheik G. Iyer, becario Dunlap en el Instituto Dunlap de Astronomía y Astrofísica de la Universidad de Toronto y coautor principal del estudio. «Dado que pudimos observar los destellos en un rango de longitudes de onda, pudimos modelarlos y comprender mejor sus propiedades físicas, como la edad que tienen y cuántas estrellas contienen. Esperamos que el conocimiento de que los cúmulos globulares se puedan observar desde tan grandes Las distancias con JWST impulsarán más la ciencia y la búsqueda de objetos similares».

La galaxia de la Vía Láctea tiene alrededor de 150 cúmulos globulares, y no se sabe bien cómo y cuándo se formaron exactamente estos densos cúmulos de estrellas. Los astrónomos saben que los cúmulos globulares pueden ser extremadamente antiguos, pero es increíblemente difícil medir sus edades. El uso de cúmulos globulares muy distantes para fechar la edad de las primeras estrellas en galaxias distantes no se ha hecho antes y solo es posible con JWST.

«Estos cúmulos recién identificados se formaron cerca de la primera vez que fue posible formar estrellas», dice Mowla. «Debido a que la galaxia Sparkler está mucho más lejos que nuestra propia Vía Láctea, es más fácil determinar las edades de sus cúmulos globulares. Estamos observando Sparkler como era hace nueve mil millones de años, cuando el universo tenía solo cuatro años y medio». -500 millones de años, mirar algo que sucedió hace mucho tiempo. Piense en ello como adivinar la edad de una persona en función de su apariencia : es fácil notar la diferencia entre un niño de 5 y 10 años, pero difícil de decir la diferencia entre una persona de 50 y una de 55 años».

Hasta ahora, los astrónomos no podían ver los objetos compactos circundantes de la galaxia Sparkler con el Telescopio Espacial Hubble (HST). Esto cambió con la mayor resolución y sensibilidad de JWST, revelando los pequeños puntos que rodean la galaxia por primera vez en la primera imagen de campo profundo de Webb. La galaxia Sparkler es especial porque se magnifica por un factor de 100 debido a un efecto llamado lente gravitacional, donde el cúmulo de galaxias SMACS 0723 en primer plano distorsiona lo que hay detrás, como una lupa gigante. Además, las lentes gravitacionales producen tres imágenes separadas de Sparkler, lo que permite a los astrónomos estudiar la galaxia con mayor detalle.

«Nuestro estudio del Sparkler destaca el tremendo poder de combinar las capacidades únicas de JWST con el aumento natural que ofrece la lente gravitacional», dice el líder del equipo de CANUCS, Chris Willott, del Centro de Investigación de Astronomía y Astrofísica Herzberg del Consejo Nacional de Investigación. «El equipo está entusiasmado con más descubrimientos por venir cuando JWST ponga su mirada en los cúmulos de galaxias CANUCS el próximo mes».

Los investigadores combinaron nuevos datos de la cámara de infrarrojo cercano (NIRCam) de JWST con datos de archivo del HST. NIRCam detecta objetos tenues utilizando longitudes de onda más largas y más rojas para observar más allá de lo que es visible para el ojo humano e incluso HST. Tanto los aumentos debidos a la lente del cúmulo de galaxias como la alta resolución de JWST son los que hicieron posible la observación de objetos compactos.

El instrumento de generación de imágenes de infrarrojo cercano y espectrógrafo sin rendija (NIRISS) de fabricación canadiense en el JWST proporcionó una confirmación independiente de que los objetos son cúmulos globulares viejos porque los investigadores no observaron líneas de emisión de oxígeno, emisiones con espectros medibles emitidos por cúmulos jóvenes que están activamente formando estrellas. NIRISS también ayudó a desentrañar la geometría de las imágenes de triple lente del Sparkler.

«El instrumento NIRISS fabricado en Canadá de JWST fue vital para ayudarnos a comprender cómo se conectan las tres imágenes de Sparkler y sus cúmulos globulares», dice Marcin Sawicki, catedrático de investigación en astronomía de Canadá, profesor de la Universidad de Saint Mary y coautor del estudio.. «Al ver tres imágenes de varios de los cúmulos globulares de Sparkler, quedó claro que están orbitando alrededor de la galaxia Sparkler en lugar de estar simplemente frente a ella por casualidad».

JWST observará los campos CANUCS a partir de octubre de 2022, aprovechando los datos de JWST para examinar cinco cúmulos masivos de galaxias, alrededor de los cuales los investigadores esperan encontrar más sistemas de este tipo. Los estudios futuros también modelarán el cúmulo de galaxias para comprender el efecto de lente y ejecutar análisis más sólidos para explicar las historias de formación de estrellas.

Las instituciones colaboradoras incluyen la Universidad de York e instituciones en los Estados Unidos y Europa. La investigación fue apoyada por la Agencia Espacial Canadiense y el Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Naturales de Canadá.