Gracias a las observaciones del telescopio espacial James Webb (JWST - NASA/ESA/CSA), una colaboración internacional liderada por Ángela Adamo de la Universidad de Estocolmo y el Centro Oscar Klein de Suecia ha descubierto un conjunto de cinco cúmulos estelares gravitacionalmente ligados en una galaxia cuya luz fue emitida cuando el universo apenas tenía 460 millones de años.

El trabajo, publicado en la revista Nature, ha contado con la participación de miembros del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), en concreto del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC) y del Instituto de Física de Cantabria (IFCA-CSIC-UC), un centro mixto perteneciente también a la Universidad de Cantabria. 

“Estas estructuras son los cúmulos estelares más antiguos jamás detectados y podrían ser precursores de los cúmulos globulares que actualmente observamos en nuestra galaxia”, explica Yolanda Jiménez, investigadora postdoctoral del IAA-CSIC y coautora del trabajo. Para José M. Diego, investigador científico del IFCA-CSIC-UC y coautor del artículo, “este descubrimiento demuestra nuevamente cómo, gracias al James Webb, estamos desvelando las etapas más tempranas de nuestro universo”.

GRACIAS A  UNA LENTE GRAVITACIONAL

La observación directa de estas estructuras no habría sido posible sin la ayuda de las lentes gravitacionales, grandes acumulaciones de materia que se interponen en nuestra línea de visión de galaxias distantes, actuando como “lupas” que magnifican los objetos detrás de ellas y a veces distorsionando su imagen en forma de arco. 

En este caso, el cúmulo galáctico SPT-CL J0615−5746 fue el responsable de magnificar la luz de una galaxia denominada arco Gemas Cósmicas (Cosmic Gems arc) procedente de las primeras etapas de formación del universo. 

Esta lejana galaxia ya había sido descubierta previamente por la colaboración RELICS utilizando datos del telescopio espacial Hubble, “pero ha sido gracias al James Webb que hemos podido desvelar su fascinante estructura”, aclara Yolanda Jiménez.

Gracias a su extraordinaria resolución y sensibilidad, las observaciones del James Webb revelaron la presencia de cinco puntos compactos perfectamente distribuidos a lo largo del arco Gemas Cósmicas, como si se tratara de un collar de perlas. Estas cinco ‘Gemas’ aparecían duplicadas de forma casi simétrica en el otro extremo del arco, “señal inequívoca de que eran puntos donde el poder de magnificación del cúmulo lente era máximo”, puntualiza José M. Diego.

PRECURSORES DE LOS CÚMULOS GLOBULARES

Un análisis exhaustivo y detallado de estas diminutas estructuras reveló que se trata de cúmulos estelares, sistemas de estrellas gravitacionalmente ligadas en los cuales no podemos resolver sus miembros individuales. Los cúmulos observados en el arco Gemas Cósmicas presentan densidades estelares significativamente más altas (hasta tres órdenes de magnitud) y tamaños mucho más pequeños (inferiores a siete años-luz) que los cúmulos estelares jóvenes típicos observados en galaxias cercanas.

Estas características sugieren que estos cúmulos estelares recién descubiertos podrían ser los precursores de los cúmulos globulares que actualmente observamos en nuestra propia galaxia, la Vía Láctea. Los cúmulos globulares son agrupaciones de miles o decenas de miles de estrellas viejas ligadas gravitacionalmente, dispersos por el halo de la Vía Láctea y algunos con edades comparables a las de la propia galaxia. “Este resultado es de gran importancia, ya que actualmente desconocemos el origen de los cúmulos globulares. El descubrimiento de las Gemas proporciona por primera vez una escala temporal a su formación y revela sus propiedades físicas iniciales”, explica Yolanda Jiménez

Las Gemas son además las responsables de la mayor parte de la emisión ultravioleta de la galaxia donde se encuentran. Son, por tanto, una de las principales fuentes de reionización del universo temprano. La época de la reionización es un período crucial en la historia del universo, entre 150 millones y 1.000 millones de años después del Big Bang. Durante esta etapa, las primeras estrellas y galaxias comenzaron a brillar, emitiendo radiación que ionizó el gas hidrógeno neutro existente. Esto facilitó la formación de las galaxias y estructuras cósmicas que observamos hoy en día.  “La búsqueda de estas fuentes, así como de las primeras estrellas, es uno de los objetivos principales por los que fue construido el telescopio espacial James Webb”, puntualiza José M. Diego.
 

Arco GEMAS CÓSMICAS magnificado por lente gravitatoria. Contiene los cinco cúmulos estelares más distantes y antiguos jamas observados. Crédito: James Webb Space Telecope / Yolanda Jiménez (IAA-CSIC)

PARTICIPACIÓN ESPAÑOLA

La participación del CSIC en este descubrimiento ha sido crucial. Desde el Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA) se ha desarrollado un algoritmo necesario para el análisis de la luz procedente de las Gemas. “Medir esta luz es muy complejo, ya que debemos separarla de otras fuentes de luz contaminantes, como la luz intracumular del cúmulo lente, la de galaxias cercanas o la propia luz difusa emitida por el disco de la galaxia donde se encuentran las Gemas” - detalla Yolanda Jimenez, investigadora postdoctoral del IAA-CSIC - “Este sofisticado y potente algoritmo de elaboración propia nos permite medir y extraer de forma precisa esta luz contaminante”.

“Una vez medido el flujo de luz de las Gemas, es necesario contar con  modelo del efecto lente gravitatoria para entender la magnificación del arco”, asegura José M. Diego,  investigador científico del CSIC en el Instituto de Física de Cantabria (IFCA), donde se ha desarrollado uno de estos modelos. “Además, una de las cuestiones aún por resolver es porque solo vemos cinco imágenes dobles cuando, en realidad, esperamos seis. Una posible explicación es la presencia de una galaxia enana, no detectada por el James Webb, con un poder de magnificación menor que no permite que veamos dicha imagen”, concluye el investigador.

Nuevas observaciones con el telescopio espacial James Webb están programadas para 2025. En ellas se estudiará en profundidad este interesante arco y sus cúmulos globulares en gran detalle. Estos estudios prometen revelar algunos de los secretos mejor guardados sobre la formación del universo.