Recientemente en diciembre del año 2021 la NASA lanzó al espacio el telescopio más sofisticado y moderno hasta la fecha. Se trata del telescopio espacial James Webb (JWST, por sus siglas en inglés), que es el sucesor del los telescopios Hubble y Spitzer; los cuales brindaron observaciones del espacio exterior que revolucionaron la astronomía moderna. Los objetivos científicos del telescopio James Webb son, entre otros, observar la luz de las primeras estrellas y galaxias en el Universo, estudiar el desarrollo de las galaxias desde su nacimiento, examinar exoplanetas y sistemas planetarios lejanos, así como estudiar el origen de la vida en el Universo. En este escrito nos enfocaremos en los estudios referentes a la luz de las primeras galaxias en el Universo.
Una de las primeras imágenes del espacio profundo obtenidas mediante el telescopio James Webb es la que se muestra en la figura 1, la cual corresponde al cúmulo de galaxias SMACS-0723. Un cúmulo de galaxias es una agrupación de las mismas que se encuentran ligadas entre sí de manera gravitacional. En la figura se pueden apreciar varias estrellas pertenecientes a la Vía Láctea (nuestra galaxia), las cuales tienen la figura de una «X» y un signo de «+» sobrepuestos. Esto se debe a la huella del sistema óptico del telescopio y no significa que las estrellas se vean de esa forma en el Universo real. De igual manera se pueden apreciar muchos otros objetos los cuales corresponden a galaxias. Algunas de estas galaxias muestran una forma elongada. La forma alargada de las galaxias en la figura se debe a que sus imágenes están siendo deformadas por lo que se conoce como una lente gravitacional.
Debido a la gran concentración de masa debida al cúmulo de galaxias, la luz de otras galaxias detrás del cúmulo se desvía al pasar cerca de este como lo predice la teoría de la relatividad general de Albert Einstein. Es decir, las imágenes aparentes de estas galaxias presentan formas elongadas, pero la forma verdadera de la mismas puede ser elíptica o en forma de disco (que es el caso de las galaxias espirales). Los astrónomos utilizan algoritmos matemáticos especializados para reconstruir las imágenes reales de estas galaxias a partir de sus imágenes elongadas, conociendo de antemano la masa total del cúmulo de galaxias.
En la misma imagen del cúmulo de galaxias SMACS-0723, podemos apreciar que hay varias galaxias que muestran un color más rojo que las demás. El color observado de una galaxia tiene una relación estrecha con su distancia y su edad. La luz de las galaxias más lejanas recorre más camino que la de aquellas que están más cerca de la Tierra. Si tomamos en cuenta la Teoría del Big Bang, debido a la expansión del Universo, la luz de las galaxias lejanas se ve desplazada hacia colores más rojos en comparación con las galaxias cercanas que tienen colores más azules.
Recordemos que la luz azul del espectro electromagnético viaja en ondas con una longitud más corta que la luz roja. De esta manera al viajar por el espacio en expansión, la luz de las galaxias se estira como una regla hecha de hule y debido a esto vemos colores más rojos para las galaxias más lejanas. Este fenómeno se conoce como corrimiento al rojo astronómico y es una medida indispensable para conocer la edad y distancia de las galaxias.
Basados en imágenes observadas con el telescopio James Webb, astrónomos de varias partes del mundo han realizado estudios en búsqueda de las primeras galaxias en el Universo. Los estudios se basan en una técnica denominada «drop-out» ó caída fotométrica. Se utilizan un conjunto de filtros por los que pasa la luz. Cada filtro esta diseñado para dejar pasar la luz en cierto rango de longitudes de onda. Por ejemplo, se puede tener un filtro que solamente deja pasar la luz verde, y otro donde solamente pasa la luz amarilla, y otro más donde unicamente pasa la luz de color rojo. El telescopio James Webb consta de varios filtros en longitudes de onda infrarrojas las cuales no son perceptibles para el ojo humano pero sí para cámaras especiales.
Por otra parte, el espacio entre las galaxias observadas y el telescopio no esta vacío, más bien contiene pequeñas nubes de gas y polvo. Esto se conoce como el «medio intergaláctico». Para galaxias cercanas, el medio intergaláctico puede absorber parte de la luz que estas emiten, aunque la cantidad que se absorbe se considera despreciable. Para galaxias lejanas la situación es distinta porque se tiene una gran cantidad de medio intergaláctico en el camino. Al pasar la luz de la galaxia a través de alguna nube intergaláctica esta absorberá parte de la luz en las longitudes de onda correspondientes a lo que se conoce como emisión de Lyman del átomo de hidrógeno. Al estar a diferentes distancias, o distintos corrimientos al rojo respecto a la galaxia estudiada, la longitud de onda de la luz absorbida será distinta para cada nube.
El resultado final es una caída repentina en la luz observada de la galaxia lejana en la parte azul de su espectro electromagnético. De esta manera, mediante la medición de la luz de las galaxias lejanas con distintos filtros se busca primero el filtro en el cual se observa esta caída repentina de la luz.
Los filtros con longitudes de onda más largas, respecto al que muestra la caída, deben de contener luz de la galaxia, y aquellos filtros con longitudes de ondas más cortas deben de mostrar una ausencia de luz. Si se cumplen estas características se considera que se ha detectado una galaxia a alto corrimiento al rojo.
Ahora bien, con el telescopio James Webb se han detectado varias decenas de galaxias a alto corrimiento al rojo mediante esta técnica. Al analizar la luz de estas galaxias los astrónomos han encontrado que las mismas son mucho más luminosas y mucho más masivas de lo que predicen los modelos de evolución de galaxias. Los estudios venideros de estos objetos serán de crucial importancia para descifrar porqué estas galaxias parecen no cumplir con las predicciones de los modelos.
En caso de confirmarse el corrimiento al rojo de estos objetos, obtenido mediante técnicas espectroscópicas, podría significar un hito en nuestro entendimiento del Universo. Lo anterior debido a que se tendrían que revisar las teorías y modelos, incluyendo los cosmológicos, que se han utilizado hasta ahora.