No mucho después del Big Bang, las primeras generaciones de estrellas comenzaron a alterar la composición química de las galaxias primitivas, enriqueciendo lentamente el medio interestelar con elementos básicos como el oxígeno, carbón, y nitrógeno. Encontrar los primeros rastros de estos elementos comunes arrojaría una luz importante sobre la evolución química de las galaxias. incluido el nuestro.

Nuevas observaciones con el Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) revelan el tenue, firma reveladora del oxígeno procedente de una galaxia a una distancia récord de 13,28 mil millones de años luz de la Tierra, lo que significa que estamos observando este objeto como apareció cuando el universo tenía solo 500 millones de años, o menos del 4 por ciento de su edad actual.

Para una galaxia tan joven conocido como MACS1149-JD1, contener trazas detectables de oxígeno, debe haber comenzado a forjar estrellas incluso antes:escasos 250 millones de años después del Big Bang. Esto es excepcionalmente temprano en la historia del universo y sugiere que los entornos químicos ricos evolucionaron rápidamente.

"Me emocionó ver la señal del oxígeno más distante, "explica Takuya Hashimoto, el autor principal del artículo de investigación publicado en la revista Naturaleza e investigador de la Universidad Osaka Sangyo y del Observatorio Astronómico Nacional de Japón.

"Este extremadamente distante, galaxia extremadamente joven tiene una madurez química notable, "dijo Wei Zheng, astrónomo de la Universidad Johns Hopkins en Baltimore, quien lideró el descubrimiento de esta galaxia con el telescopio espacial Hubble y estimó su distancia. También es miembro del equipo de investigación de ALMA. "Es realmente notable que ALMA haya detectado una línea de emisión, la huella digital de un elemento en particular, a una distancia récord".

Después del Big Bang, la composición química del universo era marcadamente limitada, sin ni un rastro de elementos como el oxígeno. Se necesitarían varias generaciones de nacimientos de estrellas y supernovas para sembrar el joven cosmos con cantidades detectables de oxígeno. carbón, y otros elementos forjados en los corazones de las estrellas.

Después de que fueron liberados de sus hornos estelares por supernovas, estos átomos de oxígeno se abrieron paso hacia el espacio interestelar. Allí se sobrecalentaron y fueron ionizados por la luz y la radiación de estrellas masivas. Estos calientes los átomos ionizados luego "brillaron" intensamente en luz infrarroja. Mientras esta luz viajaba por las vastas distancias cósmicas a la Tierra, se estiró por la expansión del universo, eventualmente cambiando a la luz distintiva de longitud de onda milimétrica que ALMA está diseñada específicamente para detectar y estudiar.

Al medir el cambio preciso en la longitud de onda de esta luz, de infrarrojos a milímetros, el equipo determinó que esta señal reveladora de oxígeno viajó 13.280 millones de años luz para llegar hasta nosotros. lo que la convierte en la firma de oxígeno más distante jamás detectada por ningún telescopio. Esta estimación de la distancia fue confirmada aún más por las observaciones de hidrógeno neutro en la galaxia por el Very Large Telescope del Observatorio Europeo Austral. Estas observaciones verifican de forma independiente que MACS1149-JD1 es la galaxia más distante con una medición de distancia precisa.

Luego, el equipo reconstruyó la historia de la formación de estrellas en la galaxia utilizando datos infrarrojos tomados con el Telescopio Espacial Hubble de la NASA / ESA y el Telescopio Espacial Spitzer de la NASA. El brillo observado de la galaxia está bien explicado por un modelo en el que el inicio de la formación de estrellas fue hace otros 250 millones de años. The model indicates that the star formation became inactive after the first stars ignited. It was then revived at the epoch of the ALMA observations:500 million years after the Big Bang.

The astronomers suggest that the first burst of star formation blew the gas away from the galaxy, which would suppress the star formation for a time. The gas then fell back into the galaxy leading to the second burst of star formation. The massive newborn stars in the second burst ionized the oxygen between the stars; it is those emissions that have been detected with ALMA.

"The mature stellar population in MACS1149-JD1 implies that stars were forming back to even earlier times, beyond what we can currently see with our telescopes. This has very exciting implications for finding 'cosmic dawn' when the first galaxies emerged, " adds Nicolas Laporte, a researcher at University College London/Université de Toulouse and a member of the research team.

"I am sure that the future combination of ALMA and the James Webb Space Telescope will play an even greater role in our exploration of the first generation of stars and galaxies, "dijo Zheng.

ALMA has set the record for the most distant oxygen several times. En 2016, Akio Inoue at Osaka Sangyo University and his colleagues found the signal of oxygen at 13.1 billion light-years away with ALMA. Several months later, Nicolas Laporte of University College London used ALMA to detect oxygen at 13.2 billion light-years away. Ahora, the two teams merged into one and achieved this new record. This reflects both the competitive and collaborative nature of forefront of scientific research.

"With this discovery we managed to reach the earliest phase of cosmic star formation history, " said Hashimoto. "We are eager to find oxygen in even farther parts of the universe and expand the horizon of human knowledge."

This research is presented in a paper "The onset of star formation 250 million years after the Big Bang, " by T. Hashimoto et al., aparecer en la revista Naturaleza .