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Jun 27, 2023

Las galaxias no son sólo estrellas. Son redes intrincadas de gas y polvo

Los astrónomos han estudiado el proceso de formación de estrellas durante décadas. A medida que contamos con telescopios cada vez más capaces, los intrincados detalles de uno de los procesos más fascinantes de la naturaleza se vuelven más claros. El

Los astrónomos han estudiado el proceso de formación de estrellas durante décadas. A medida que contamos con telescopios cada vez más capaces, los intrincados detalles de uno de los procesos más fascinantes de la naturaleza se vuelven más claros. Las primeras etapas de formación estelar ocurren dentro de un denso velo de gas y polvo que obstaculiza nuestras observaciones.

Pero el Telescopio Espacial James Webb ve a través del velo en sus imágenes de galaxias cercanas.

La colaboración PHANGS (Física con alta resolución angular en galaxias cercanas) es un gran estudio de galaxias espirales cercanas. Su objetivo es "... comprender la interacción de la física a pequeña escala del gas y la formación de estrellas con la estructura galáctica y la evolución de las galaxias", según el sitio web PHANGS.

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Telescopios como el Telescopio Espacial Hubble y ALMA han contribuido a PHANGS y han resuelto nubes de gas individuales y complejos de formación de estrellas en galaxias que son las cunas del nacimiento de estrellas y los motores de la evolución galáctica. Ahora que el JWST está operativo, también participa en PHANGS.

En estas imágenes de PHANGS, el telescopio espacial James Webb muestra una vez más su impresionante poder. Las capacidades infrarrojas y de alta resolución del Webb revelan nuevos detalles en las galaxias espirales distantes, incluidas redes intrincadas de elementos gaseosos y polvorientos. Sus observaciones han dado lugar a no menos de 21 nuevos artículos. Esto es después de que el telescopio haya fotografiado sólo 5 de sus 19 objetivos totales:

Las imágenes muestran galaxias cuyos brazos espirales están casi llenos de espuma con filamentos superpuestos de gas, polvo y burbujas talladas por estrellas recién formadas.

La imagen principal muestra NGC 1433, una galaxia espiral barrada con una estructura de doble anillo a unos 46 millones de años luz de distancia. Su región central experimenta una intensa actividad de formación de estrellas. Sus brazos espirales también están plagados de estrellas jóvenes, y el JWST lo resalta todo con glorioso detalle. NGC 1433 tiene una interesante característica de doble anillo en su núcleo, donde los brazos en espiral apretados se envuelven entre sí y con la barra.

La destreza de observación infrarroja del JWST aporta algo nuevo a la mesa. Cuando nacen estrellas muy jóvenes, la acción queda oculta detrás de un velo de gas y polvo. Sólo cuando la estrella brilla durante un tiempo, su viento estelar levanta el velo y los astrónomos pueden ver la joven estrella. Pero el JWST no tiene que esperar. Puede ver a través del gas y el polvo y ofrecer a los astrónomos vistas de estrellas mucho más jóvenes que otros telescopios.

El Hubble no puede ver fácilmente más allá del polvo como lo hace el JWST porque no puede ver fotones del infrarrojo medio. Cuando pequeños granos de polvo en galaxias como NGC 1433 absorben fotones ópticos y ultravioleta de estrellas jóvenes, los granos de polvo se calientan lo suficiente como para producir fotografías en el infrarrojo medio en un proceso llamado calentamiento estocástico. El James Webb destaca por ver el IR medio y, gracias a ello, toda la estructura de la galaxia es más clara en las imágenes JWST.

La imagen de Webb es una mejora espectacular con respecto a las imágenes anteriores, y aunque el detalle visual es lo que capta la mayoría de los ojos, el WEBB también ofrece a los astrónomos una mejora espectacular en el detalle científico.

La siguiente galaxia en la lista es M 74, una galaxia espiral a unos 32 millones de años luz de distancia que también se conoce como la Galaxia Fantasma. Es un ejemplo del tipo de galaxia espiral de gran diseño debido a sus dos brazos espirales claramente definidos. Mientras que los brazos de otras galaxias espirales pueden parecer turbios y mal definidos, los brazos de M 74 aparecen con un relieve nítido.

El JWST no sólo es mejor para ver fotones MIR (infrarrojo medio) que otros telescopios como el Hubble, sino que también tiene una resolución angular más alta, lo que significa que los pequeños detalles son visibles con mayor claridad. La resolución mejorada del telescopio espacial muestra cuán intrincada es la estructura de M 74, con filamentos de gas y polvo en forma de gasa que se enrollan hacia afuera desde el centro hasta los grandes brazos espirales de la galaxia.

M 74 está de frente desde nuestro punto de vista, lo que la convierte en un objetivo valioso para los astrónomos. Una de las características definitorias de M 74 es su centro, o lo que los astrónomos llaman la región nuclear. La región nuclear de M 74 carece del gas común en otras galaxias espirales, lo que brinda a los astrónomos una visión clara del cúmulo de estrellas nucleares de la galaxia.

La siguiente galaxia es NGC 7496, una galaxia espiral barrada a unos 24 millones de años luz de distancia. La característica más notable de la galaxia es su núcleo galáctico activo (AGN). El agujero negro supermasivo en el centro está acumulando material activamente y calentándolo en un disco giratorio alrededor del agujero negro. Esto hace que el AGN sea visible cuando el material calentado emite fotones.

El JWST es tan potente que puede detectar PAH (hidrocarburos aromáticos policíclicos) que desempeñan un papel fundamental en la formación de estrellas y planetas. Son compuestos orgánicos que se forman en las nubes de gas y polvo que dan origen a las estrellas. Al detectarlos, el JWST permite a los astrónomos rastrear los límites y detalles de las nubes de gas que eventualmente colapsan y forman estrellas.

Algunos investigadores consideran el lanzamiento del JWST como el primer paso en una revolución de la PAH. Las emisiones de HAP codifican mucha información sobre las condiciones físicas y químicas de su entorno, incluida la formación de estrellas. Otros telescopios pueden ver regiones de HAP, pero no con el mismo detalle. "La increíble resolución espacial y sensibilidad del JWST desenredarán estas regiones y nos permitirán obtener vistas sin precedentes de las características de la HAP en pequeñas escalas espaciales", según la Western University.

El JWST también detectó 59 nuevos cúmulos de estrellas incrustados en NGC 7496. Estas detecciones, al igual que otras detecciones en PHANG, se deben a la capacidad del JWST para ver en el MIR mejor que otros telescopios. Los cúmulos incrustados contienen estrellas tan jóvenes que aún no han eliminado las oscuras nubes de gas y polvo. Sus nubes moleculares progenitoras todavía rodean las estrellas, y la formación estelar activa que tiene lugar dentro de las nubes está oculta a telescopios como el Hubble. Pero el JWST supera fácilmente ese obstáculo.

Uno de los nuevos artículos basados ​​en JWST y PHANGS es “Primeros resultados de PHANGS-JWST: Cúmulos de estrellas incrustados en polvo en NGC 7496 seleccionados mediante una emisión de PAH de 3,3 µm”. Como deja claro el título, la capacidad del JWST para ver las emisiones de PAH cambia las reglas del juego. “Las primeras etapas de formación estelar ocurren envueltas en polvo y no son observables ópticamente. Aquí aprovechamos las nuevas y extraordinarias imágenes infrarrojas de alta resolución del JWST para comenzar el estudio de cúmulos de estrellas incrustados en polvo en galaxias cercanas a lo largo del Volumen Local”, escriben los autores de ese artículo.

La siguiente galaxia es IC 5332, una galaxia espiral intermedia a unos 30 millones de años luz de distancia. Al igual que M 74, también desde nuestro punto de vista IC 5332 está de frente. Tiene un pequeño bulto central y brazos abiertos. No tiene tanta actividad de formación estelar como algunas de las otras galaxias PHANGS.

La imagen JWST muestra cómo los brazos espirales simétricos de IC 5332 son en realidad redes complejas de gas que emiten luz infrarroja a diferentes temperaturas. El MIRI (Instrumento de infrarrojo medio) de Webb es responsable de esta espectacular imagen, al igual que de las demás.

Este video muestra la diferencia entre la vista del Hubble de IC 5332 y la vista del JWST. La imagen del Hubble es borrosa y menos detallada, aunque sigue siendo hermosa y útil.

NGC 1365 es otra galaxia espiral barrada a unos 56 millones de años luz de distancia. Tiene dos barras, y la más pequeña de las dos comprende el núcleo galáctico. La barra interior probablemente gira más rápido que la barra exterior, creando la forma diagonal. Su par de brazos prominentes están más extendidos que los de otras galaxias espirales.

Observaciones recientes muestran que la Vía Láctea también es una espiral barrada, por lo que cuando los astrónomos estudian NGC 1365, también arroja luz sobre la Vía Láctea. Los astrónomos creen que las barras de estas galaxias actúan casi como un embudo, alimentando gas al centro galáctico, desencadenando la formación de estrellas y el crecimiento del agujero negro central.

NGC 1365 se llama galaxia con estallido estelar porque está experimentando una extraordinaria cantidad de formación estelar. Esto tiene lugar en el anillo de explosión estelar, una región en el centro de la galaxia. La fase de estallido estelar es sólo una fase de la evolución de una galaxia y consume tanto gas que termina relativamente rápido. La compleja estructura de doble barra de NGC 1365 ayuda a canalizar el gas hacia el anillo de explosión estelar, desencadenando una vorágine de nacimiento de estrellas.

NGC 1365 alberga "... uno de los estallidos estelares nucleares más fuertes y las poblaciones más ricas de YMC (cúmulos masivos jóvenes) dentro de 20 Mpc", según un nuevo artículo que examina la retroalimentación estelar en la galaxia. Estos cúmulos son responsables de gran parte de la formación de estrellas y están ocultos dentro de gruesas nubes de hidrógeno molecular que los ocultan de otros telescopios. Pero nuevamente, el JWST tiene la capacidad de verlos más claramente gracias a su MIRI.

El JWST detectó nuevos cúmulos tanto en la región central como en los brazos de la galaxia. También arrojó luz sobre la retroalimentación estelar en el anillo de explosión estelar, donde el gas fluye y forma nuevas estrellas, que luego se retroalimentan y afectan el flujo de gas. Esta retroalimentación entre las estrellas y el medio interestelar (ISM) es un tema crítico en la evolución de las galaxias.

"Encontramos que el gas que fluye hacia el anillo de explosión estelar de noreste a suroeste parece fuertemente afectado por la retroalimentación estelar, mostrando una menor excitación y un aumento de las señales de disociación en las regiones aguas abajo", escriben los autores del artículo. La disociación ocurre cuando la luz ultravioleta divide las moléculas en sus átomos constituyentes. "Nuestros resultados son consistentes con un escenario en el que el gas fluye hacia las dos regiones de los brazos a lo largo de la barra, se condensa/choca, forma YMC, y luego estos YMC calientan y disocian el gas".

Incluso ese breve extracto de una nueva investigación da una pista de cuán complejas son las galaxias y la formación de estrellas. Cuando el JWST estaba en su fase de diseño, los científicos identificaron qué preguntas necesitaban mejores respuestas y qué instrumentos y capacidades podrían generar esas respuestas. El nacimiento de estrellas en las galaxias y cómo crecen y evolucionan las galaxias son algunas de esas preguntas.

Un año después de su misión, estamos viendo cuán efectivo es el JWST para encontrar respuestas más profundas a nuestras preguntas. En el camino, obtenemos estas hermosas imágenes.