7 grandes preguntas que el Telescopio Espacial James Webb está a punto de responder

Los datos que estamos recibiendo ahora del Telescopio Espacial James Webb nos ayudarán a desentrañar algunos de los misterios más grandes del cosmos.

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Artículo de New Scientist

Los datos que estamos recibiendo ahora del Telescopio Espacial James Webb nos ayudarán a desentrañar algunos de los misterios más grandes del cosmos, desde ¿Cómo se formaron las primeras estrellas y galaxias? y ¿Qué tan rápido se está expandiendo el universo?, hasta las perspectivas de vida extraterrestre.

Aquí examinamos siete de las preguntas más importantes sobre las que se espera que el JWST arroje nueva luz, centrándonos en proyectos específicos a los que se les ha otorgado tiempo en su primer ciclo de observación.

  1. ¿Dónde y cuándo se formaron las primeras estrellas?

Después del big bang vino la edad oscura cósmica. La materia en esta etapa era oscura, que no emitía ni reflejaba luz, o hidrógeno neutro y gas helio. Luego, en el transcurso de unos cientos de millones de años, el gas comenzó a fusionarse, formando estrellas, y las luces se encendieron.

La radiación de estas primeras estrellas ionizó el gas neutro que las rodeaba. Para cuando se completó esta llamada época de reionización, el universo había pasado de una sopa primordial homogénea a un arreglo altamente estructurado, con galaxias, estrellas y probablemente incluso planetas. Sabemos que esto sucedió, pero tenemos pocas observaciones que nos muestren cómo.

Jeyhan Kartaltepe del Instituto de Tecnología de Rochester en Nueva York tiene 256 horas de tiempo de observación en el JWST, uno de los períodos más largos en el primer ciclo de observación del instrumento, para responder a una amplia serie de preguntas sobre este amanecer cósmico . ¿Qué tipos de estrellas fueron las primeras estrellas? ¿En qué tipo de galaxias se formaron? ¿Qué tan temprano ocurrió la reionización y cuánto tiempo tomó? “Una detección [de una galaxia primordial] con el Telescopio Espacial Hubble es solo una mancha en una imagen y puedes decir qué tan brillante es, y eso es todo”, dice Kartaltepe. «Ahora, podremos medir sus masas estelares y resolver la estructura, por lo que aprenderemos mucho más sobre la física».

  1. ¿Cuáles son los orígenes de los agujeros negros supermasivos?

Los agujeros negros son regiones del espacio-tiempo tan densas y deformadas, con una atracción gravitacional tan intensa, que ni siquiera la luz puede escapar de ellas. Hay agujeros negros de masa estelar, creados cuando colapsan estrellas masivas, que van desde unos pocos hasta unos cientos de veces la masa del sol. Y hay agujeros negros supermasivos, que van desde 100.000 hasta decenas de miles de millones de veces la masa del sol, y se encuentran en los centros de la mayoría de las galaxias. Estos monstruos dan forma a la evolución de las galaxias a medida que aumentan, o acumulan, se acumulan y lanzan poderosos chorros que perturban todo lo que los rodea.

Una de las observaciones más desconcertantes de la astrofísica es que vemos agujeros negros supermasivos que ya tenían miles de millones de masas solares cuando el universo mismo tenía menos de mil millones de años. Incluso si estos agujeros negros estuvieran creciendo exponencialmente engullendo estrellas y gas, deben haber comenzado tan masivos como miles de soles, y no tenemos idea de cómo funcionaría dados nuestros modelos existentes de cómo se forman y crecen los agujeros negros.

Los teóricos han propuesto dos rutas hacia estos primeros agujeros negros supermasivos. El primero es el colapso de una nube de gas masiva, ya sea directamente a un agujero negro supermasivo o primero a una estrella masiva que luego colapsa en un agujero negro. La segunda hipótesis es que se formaron a partir de densos cúmulos de estrellas, que se fusionaron entre sí, creciendo cada vez más y eventualmente dando como resultado un agujero negro.

Para obtener más información sobre los agujeros negros supermasivos, Xiaohui Fan de la Universidad de Arizona observará cuásares distantes, objetos extremadamente brillantes generados cuando el gas entra en espiral a alta velocidad en estos agujeros negros, lanzando chorros gigantes de partículas y radiación. Mirando de cerca a tres de los cuásares más distantes que conocemos, Fan y sus colegas medirán la velocidad del disco de gas y polvo que se mueve en espiral hacia los agujeros negros, lo que prueba directamente su masa. Combine esto con una medida de luminosidad y también obtendrá la velocidad a la que el agujero negro acumula material. Esto les dará las restricciones más estrictas hasta ahora sobre la masa inicial del agujero negro y qué tan temprano en el universo joven ocurrió la siembra.

Las observaciones de Fan no podrán descartar ideas sobre cómo se sembraron los agujeros negros supermasivos. Sin embargo, deberían arrojar luz sobre cómo crecen y cómo su crecimiento influye en la evolución de las galaxias. Sabemos que los agujeros negros más masivos residen en las galaxias más masivas. Pero cuál fue primero, y si uno es responsable del otro, es un enigma cosmológico del huevo y la gallina. Con la sensibilidad del JWST, veremos la luz estelar de las galaxias anfitrionas de estos agujeros negros por primera vez. Sus observaciones infrarrojas significan que podemos caracterizar sus edades y, por lo tanto, aprender cuándo ocurrió la formación de estrellas y galaxias en relación con el crecimiento del agujero negro.

  1. ¿La materia oscura es fría?

La materia oscura es una forma misteriosa de materia cuya existencia solo podemos inferir a partir de sus efectos gravitacionales. Creemos que representa aproximadamente el 85 por ciento de toda la materia del universo, pero no sabemos de qué tipo de partículas está hecho, si es que está hecho de partículas. Por el momento, creemos que la materia oscura es «fría», lo que significa que se mueve lentamente, lo que permite que se formen pequeños grupos debido a su propia gravedad y se conviertan en estructuras más masivas conocidas como «halos».

Los halos de materia oscura vienen en varios tamaños, desde un cuatrillón de masas solares hasta tan pequeños como la masa de la Tierra. Cuando los halos de materia oscura son más ligeros que 10 millones de masas solares, no pueden atraer suficiente gas para formar galaxias. Según nuestra comprensión de la evolución cósmica, existen como pequeñas bolsas invisibles de materia oscura, en cuyo caso presumiblemente estamos rodeados por muchos de estos halos de materia oscura más pequeños.

Anna Nierenberg de la Universidad de California en Merced y sus colegas buscarán probar esta suposición y, por extensión, la idea de que la materia oscura es fría y lenta, observando los cuásares. En este caso, la luz liberada por los cuásares será desviada o doblada por la gravedad del pequeño halo de materia oscura sin galaxias. La luz se desviaría de tal manera que crearía imágenes repetidas en el telescopio, que es lo que buscarán Nierenberg y sus colegas. Detectar estos pequeños halos sería un gran éxito para este modelo, dice ella. Alternativamente, “su ausencia implicaría que la materia oscura no puede ser fría, sino que debe ser de una naturaleza más exótica”.

  1. ¿Cómo se convierten las estrellas masivas en supernovas?

Cuando mueren, las estrellas como nuestro sol se ven relativamente tranquilas. Las estrellas más masivas se apagan en un resplandor de explosiones espectacularmente violentas llamadas supernovas. Estos fuegos artificiales cósmicos inyectan enormes cantidades de energía en su entorno y, a medida que las ondas de choque de la explosión calientan e ionizan el material interestelar, impulsan la formación de nuevas generaciones de estrellas. Las supernovas también liberan todo tipo de elementos químicos, enriqueciendo las nubes de gas que crean planetas como el nuestro con los ingredientes que nos forman.

Vemos supernovas todo el tiempo. Sabemos que las estrellas con masas de al menos ocho veces la del sol terminarán su vida en estas explosiones. En algún momento, el núcleo de la estrella no puede soportar el peso de sus capas exteriores, lo que hace que la estrella colapse y explote. Lo que no sabemos es cuáles son los mecanismos de explosión, lo que significa exactamente cómo estallan las estrellas masivas de la forma en que lo hacen.

Hay dos modelos sobre la mesa para estrellas masivas en el extremo inferior del rango de masas que pueden convertirse en supernovas. En el modelo de captura de electrones, una estrella tiene un núcleo compuesto de oxígeno, neón y magnesio, y ese núcleo se mantiene sostenido por la presión de los electrones de estos átomos, como resultado de una ley mecánica cuántica que dice que no todos pueden ocupar el espacio. mismo estado de energía. Sin embargo, si el núcleo se vuelve demasiado denso, el núcleo de los átomos de neón y magnesio puede absorber sus electrones en lo que llamamos una reacción de captura de electrones. Esto reduce la presión y da como resultado el colapso gravitatorio de las capas exteriores de la estrella, lo que provoca la explosión. La alternativa es el modelo de colapso del núcleo de hierro. Aquí, se forma un núcleo de hierro y debido a que el hierro es un elemento muy estable, no puede fusionarse con otros elementos y liberar energía.

Tea Temim , de la Universidad de Princeton, utilizará el JWST para aportar algo de claridad al observar más de cerca la nebulosa del Cangrejo , el remanente de una explosión de supernova de una estrella en el rango de ocho a 10 masas solares. Fue registrado por astrónomos en 1054 y es uno de los objetos astronómicos más estudiados de todos los tiempos. Sin embargo, si lo miramos más de cerca, podríamos descubrir cómo explotó, porque cada uno de nuestros dos posibles mecanismos de explosión dejaría firmas: una proporción diferente de hierro a níquel estable, en cada caso, y diferentes distribuciones. de hierro en el material expulsado por la estrella.

  1. ¿De dónde obtienen su agua los planetas como la Tierra?

Somos afortunados de que nuestro planeta sea un mundo exuberante de océanos, lagos, ríos y cascadas. Sin embargo, según nuestra comprensión actual de la historia de nuestro sistema solar, nuestro punto azul pálido no era azul en absoluto cuando se formó.

Cuando la Tierra surgió de una vorágine de gas y polvo hace unos 4.500 millones de años, estaba dentro de la «línea de nieve» del sol, el radio fuera del cual la temperatura es lo suficientemente baja como para que toda el agua sea hielo. Lo que es más, en ese momento, el sol arrojaba más energía que hoy y la presión de la radiación habría empujado cualquier vapor de agua cerca de la Tierra detrás de la línea de nieve. Todo lo cual significa que, hasta donde sabemos, el material que formó la Tierra no contenía agua. “Así que el agua de la Tierra debe haber venido de alguna parte”, dice Isabel Rebollido del Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial en Baltimore, Maryland.

Los científicos planetarios han propuesto que podría haber sido entregado más tarde por asteroides o cometas en un período conocido como el Bombardeo Pesado Tardío. La idea es que los efectos colaterales de los movimientos de los planetas gigantes gaseosos en el sistema solar exterior podrían haber empujado más adentro los escombros que contienen hielo, enviando agua a la Tierra y creando muchos de los cráteres de la luna en el proceso.

Rebollido utilizará el JWST para observar cinco sistemas exoplanetarios en una etapa similar de evolución, cuando los gigantes gaseosos ya se han formado y sus movimientos están arrastrando material. “Una posible explicación del gas que detectamos en las regiones internas de los sistemas planetarios es que los cuerpos sólidos y helados enviados desde las regiones externas se están evaporando”, dice Rebollido. La idea es simple: buscar agua en la región media. Si está allí, la implicación es que los cuerpos helados pueden ser entregados desde las regiones exteriores de un sistema solar a los planetas rocosos dentro de la línea de nieve, permitiendo que mundos que de otro modo serían estériles se conviertan en puntos azul pálido.

  1. ¿Podrían los exoplanetas más prometedores albergar vida?

La perspectiva de vida en planetas más allá de la Tierra nos ha intrigado durante siglos. En estos días, lo buscamos en las «biofirmas» en las atmósferas de los exoplanetas. Si ciertas combinaciones de moléculas están presentes, por ejemplo, metano y dióxido de carbono, es una señal de que podría existir vida allí. Pero tiene que haber una atmósfera para empezar.

Caracterizamos la composición de las atmósferas exoplanetarias con la técnica del tránsito: cuando un planeta pasa frente a su estrella anfitriona, las diversas moléculas de su atmósfera interactúan con la luz de la estrella y emiten o absorben radiación infrarroja en longitudes de onda específicas que forman huellas dactilares de las moléculas. involucrado. El espectrógrafo a bordo del JWST es sensible a estas huellas «dactilares», lo que significa que puede identificar qué moléculas están presentes. “JWST va a ser completamente revolucionario porque los telescopios espaciales Hubble y Spitzer tenían rangos de longitud de onda relativamente restringidos, por lo que no se podían medir muchas cosas en las atmósferas”, dice Megan Mansfield de la Universidad de Arizona.

Para que el método de tránsito funcione, la señal de la atmósfera del planeta tiene que ser detectable frente a la señal mucho más brillante de la estrella. Incluso con las capacidades sin precedentes del JWST, encontrar firmas biológicas probablemente solo sea posible para los planetas que orbitan estrellas frías y de baja masa llamadas enanas M. Afortunadamente, eso pone en nuestra mira un grupo particularmente atractivo de exoplanetas. El sistema Trappist 1, una colección de siete planetas rocosos descubiertos en 2016, alberga más planetas capaces de sustentar agua líquida que cualquier otro sistema que conozcamos.

El problema es que no sabemos si los planetas trapenses, o cualquier otro mundo que orbite alrededor de enanas M, pueden retener sus atmósferas durante el tiempo suficiente para que se desarrolle la vida, dice Mansfield. Esto se debe a que las enanas M comienzan mucho más activas que las estrellas como el sol, y la gran cantidad de radiación de alta energía que emiten podría despojar a sus planetas de las atmósferas.

Una de las cosas más útiles que puede hacer el JWST para la búsqueda de vida extraterrestre es establecer si los exoplanetas alrededor de las enanas M tienen atmósfera. Kevin Stevenson , de la Universidad Johns Hopkins en Maryland, observará cinco exoplanetas terrestres que orbitan alrededor de las enanas M más cercanas mientras transitan, incluido uno en el sistema trapense. Las atmósferas de los planetas trapenses restantes se observarán como parte de otros proyectos JWST. «Si ninguno de los cinco planetas tiene atmósferas, eso nos dice que las atmósferas en los planetas enanos M son raras», dice Stevenson, «y que deberíamos comenzar a buscar planetas alrededor de otros tipos de estrellas».

  1. ¿La tasa de expansión del universo rompe nuestro mejor modelo cosmológico?

Vivimos en un universo en expansión , donde las galaxias se alejan unas de otras a una velocidad conocida como la constante de Hubble. Esto se puede medir directamente, determinando las distancias a objetos astronómicos lejanos, o indirectamente combinando observaciones del universo primitivo con nuestra mejor teoría de cómo evolucionó el cosmos. El problema es que las dos medidas son inconsistentes.

Nuestro modelo cosmológico actual postula que el universo está compuesto de radiación, materia (incluida la materia oscura fría) y energía oscura, una forma desconcertante de energía que se cree que es responsable de la expansión que observamos. Tomando datos de la radiación reliquia del big bang, conocida como fondo cósmico de microondas, e introduciéndolos en ese modelo, los cosmólogos estiman que el universo se está expandiendo a una velocidad de 67 kilómetros por segundo por megaparsec, siendo un megaparsec una distancia igual a 3,26 millones de años luz. Sin embargo, cuando los astrónomos miden la constante de Hubble a partir de observaciones de objetos distantes, encuentran un valor de 73 kilómetros por segundo por megaparsec.

La discrepancia, conocida como la tensión de Hubble, podría indicar que algo anda muy mal con nuestra comprensión de la evolución cósmica . Pero el modelo cosmológico estándar tiene un gran éxito y da cuenta de todo tipo de observaciones, por lo que necesitaremos una muy buena razón para descartarlo.

El JWST finalmente pudo resolver el argumento. Para obtener su valor para la constante de Hubble, los astrónomos usan la «escalera de distancia cósmica». Esto hace uso de estrellas llamadas cefeidas que fluctúan en brillo a un ritmo relacionado con su luminosidad absoluta, lo que nos permite medir su distancia de nosotros. Luego pasamos al siguiente peldaño de la escalera utilizando otras «velas estándar», como las supernovas, para calcular la distancia a las galaxias cercanas y, en última instancia, al borde del universo observable.

Para asegurarse de que esas medidas sean precisas, debe reducir las incertidumbres en cada paso. Para comprender esas incertidumbres, Wendy Freedman de la Universidad de Chicago planea medir la distancia a las mismas galaxias usando una variedad de velas estándar. Las cefeidas, por ejemplo, suelen estar rodeadas de otras estrellas jóvenes. Las imágenes más nítidas proporcionadas por el JWST ayudarán a distinguir la contribución en la luz medida de las cefeidas en relación con sus vecinas. Además, una mayor sensibilidad nos permitirá ver cefeidas en galaxias más distantes. Freedman combinará las mediciones de cefeidas con otros métodos para medir distancias a otras galaxias para comprender mejor cuán precisos podemos considerar nuestros cálculos para la constante de Hubble.

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