Utilizando las capacidades sin precedentes del Telescopio Espacial James Webb de NASA/ESA/CSA, un equipo internacional de científicos ha obtenido las primeras observaciones espectroscópicas de las galaxias más débiles durante los primeros mil millones de años del Universo. Estos hallazgos ayudan a responder una pregunta de larga data para los astrónomos: ¿qué fuentes causaron la reionización del Universo?

Queda mucho por entender sobre el momento de la historia temprana del Universo conocido como la era de la reionización. Fue un período de oscuridad sin estrellas ni galaxias, lleno de una densa niebla de gas hidrógeno, hasta que las primeras estrellas ionizaron el gas a su alrededor y la luz comenzó a viajar a través de ellas. Los astrónomos han pasado décadas intentando identificar las fuentes que emitían radiación lo suficientemente potente como para eliminar gradualmente esta niebla de hidrógeno que cubría el Universo primitivo.

El programa Ultradeep NIRSpec y NIRCam ObserVations before the Epoch of Reionization (UNCOVER) consiste en imágenes y observaciones espectroscópicas del cúmulo de lentes Abell 2744. Un equipo internacional de astrónomos utilizó lentes gravitacionales para este objetivo, también conocido como Cúmulo de Pandora, para investigar las fuentes del período de reionización del Universo. Las lentes gravitacionales magnifican y distorsionan la apariencia de las galaxias distantes, por lo que se ven muy diferentes de las que están en primer plano.

La 'lente' del cúmulo de galaxias es tan masiva que deforma la estructura del espacio mismo, hasta el punto de que la luz de galaxias distantes que pasa a través del espacio deformado también adquiere una apariencia deformada. El efecto de ampliación permitió al equipo estudiar fuentes de luz muy distantes más allá de Abell 2744, revelando ocho galaxias extremadamente débiles que de otro modo serían indetectables, incluso para Webb.

El equipo descubrió que estas galaxias débiles son inmensas productoras de luz ultravioleta, en niveles cuatro veces mayores de lo que se suponía anteriormente. Esto significa que la mayoría de los fotones que reionizaron el Universo probablemente provinieron de estas galaxias enanas.

"Este descubrimiento revela el papel crucial desempeñado por las galaxias ultra débiles en la evolución del Universo temprano", dijo Iryna Chemerynska, miembro del equipo del Instituto de Astrofísica de París en Francia. “Producen fotones ionizantes que transforman el hidrógeno neutro en plasma ionizado durante la reionización cósmica. Destaca la importancia de comprender las galaxias de baja masa a la hora de dar forma a la historia del Universo”.

"Estas potencias cósmicas emiten colectivamente energía más que suficiente para realizar el trabajo", añadió el líder del equipo Hakim Atek, también del Instituto de Astrofísica de París y autor principal del artículo que describe este resultado. "A pesar de su pequeño tamaño, estas galaxias de baja masa son prolíficas productoras de radiación energética, y su abundancia durante este período es tan sustancial que su influencia colectiva puede transformar todo el estado del Universo".

Para llegar a esta conclusión, el equipo primero combinó datos de imágenes de Webb extremadamente sensibles con imágenes de Abell 2744 del Telescopio Espacial Hubble de NASA/ESA para seleccionar galaxias candidatas extremadamente débiles en la época de reionización.

A esto le siguió la espectroscopia con el espectrógrafo de infrarrojo cercano (NIRSpec) de Webb. El conjunto de obturadores múltiples del instrumento se utilizó para capturar varios espectros de estas galaxias débiles. Esta es la primera vez que los científicos estiman de manera confiable lo comunes que son las galaxias débiles. Los resultados confirman que son el tipo de galaxias más abundante durante la época de reionización. Esta es también la primera vez que se mide el poder ionizante de estas galaxias, lo que permite a los astrónomos determinar que están produciendo suficiente radiación energética para ionizar el Universo temprano.

"La increíble sensibilidad de NIRSpec combinada con la amplificación gravitacional proporcionada por Abell 2744 nos permitió identificar y estudiar en detalle estas galaxias de los primeros mil millones de años del Universo, a pesar de ser más de 100 veces más débiles que nuestra propia Vía Láctea", dijo Hakim.

En un próximo programa de observación de Webb, llamado GLIMPSE, los científicos obtendrán las observaciones más sensibles jamás realizadas en el cielo. Al apuntar a otro cúmulo de galaxias, llamado Abell S1063, se identificarán galaxias aún más débiles durante la época de reionización. Esto permitirá a los científicos verificar si las galaxias enanas del estudio actual son típicas de la distribución de galaxias a gran escala. Como estos nuevos resultados se basan en observaciones obtenidas en un campo, el equipo señala que las propiedades ionizantes de las galaxias débiles pueden aparecer de manera diferente si residen en regiones más densas.

Por lo tanto, observaciones adicionales en un campo diferente proporcionarán más información y ayudarán a verificar estas conclusiones. Las observaciones de GLIMPSE también ayudarán a los astrónomos a investigar el período conocido como amanecer cósmico, cuando el Universo tenía sólo unos pocos millones de años, para mejorar nuestra comprensión sobre el surgimiento de las primeras galaxias.