Por primera vez, el Telescopio Espacial James Webb de la NASA / ESA / CSA ha observado la firma química de los granos de polvo ricos en carbono en el corrimiento al rojo ~ 7, que es aproximadamente equivalente a mil millones de años después del nacimiento del Universo. Se han observado firmas observacionales similares en el Universo mucho más reciente, atribuidas a moléculas complejas basadas en carbono conocidas como hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP). Sin embargo, no se cree probable que los HAP se hayan desarrollado dentro de los primeros mil millones de años del tiempo cósmico.
Por lo tanto, esta observación sugiere la emocionante posibilidad de que WEBB haya observado una especie diferente de molécula basada en carbono: posiblemente minúsculos granos similares a grafitos o diamantes producidos por las primeras estrellas o supernovas. Esta observación sugiere emocionantes vías de investigación tanto en la producción de polvo cósmico como en las primeras poblaciones estelares de nuestro Universo, y fue posible gracias a la sensibilidad sin precedentes de Webb.
Los espacios aparentemente vacíos en nuestro Universo a menudo no están vacíos en absoluto, sino ocupados por nubes de gas y polvo cósmico. Este polvo consiste en granos de varios tamaños y composiciones que se forman y expulsan al espacio de varias maneras, incluso por eventos de supernova. Este material es crucial para la evolución del Universo, ya que las nubes de polvo finalmente forman los lugares de nacimiento de nuevas estrellas y planetas. Sin embargo, también puede ser un obstáculo para los astrónomos: el polvo absorbe la luz estelar en ciertas longitudes de onda, lo que hace que algunas regiones del espacio sean muy difíciles de observar. Una ventaja, sin embargo, es que ciertas moléculas absorberán o interactuarán muy consistentemente con longitudes de onda específicas de luz. Esto significa que los astrónomos pueden adquirir información sobre la composición del polvo cósmico observando las longitudes de onda de la luz que bloquea. Un equipo internacional de astrónomos utilizó esta técnica, combinada con la extraordinaria sensibilidad de Webb, para detectar la presencia de granos de polvo ricos en carbono solo mil millones de años después del nacimiento del Universo.
Joris Witstok de la Universidad de Cambridge, autor principal de este trabajo, explica: "Los granos de polvo ricos en carbono pueden ser particularmente eficientes para absorber la luz ultravioleta con una longitud de onda de alrededor de 217,5 nanómetros, que por primera vez hemos observado directamente en los espectros de galaxias muy tempranas".
Esta característica prominente de 217,5 nanómetros se ha observado previamente en el Universo mucho más reciente y local, tanto dentro de nuestra propia galaxia, la Vía Láctea, como en galaxias de hasta corrimiento al rojo ~ 3. Se ha atribuido a dos tipos diferentes de especies basadas en el carbono: hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP) o granos grafíticos de tamaño nanométrico. Los HAP son moléculas complejas, y los modelos modernos predicen que deberían pasar varios cientos de millones de años antes de que se formen. Sería sorprendente, por lo tanto, si el equipo hubiera observado la firma química de una mezcla de granos de polvo que incluyen especies que es poco probable que se hayan formado todavía. Sin embargo, según el equipo científico, este resultado es la firma directa más temprana y distante para este tipo particular de grano de polvo rico en carbono.
La respuesta puede estar en los detalles de lo que se observó. Como ya se ha dicho, la característica asociada con la mezcla de polvo cósmico de HAP y pequeños granos grafíticos es de 217,5 nanómetros. Sin embargo, la característica observada por el equipo en realidad alcanzó un máximo de 226,3 nanómetros. Un nanómetro es una millonésima parte de un milímetro, y esta discrepancia de menos de diez nanómetros podría explicarse por un error de medición. Igualmente, también podría indicar una diferencia en la composición de la mezcla de polvo cósmico del Universo temprano que el equipo detectó.
"Este ligero cambio en la longitud de onda de donde la absorción es más fuerte sugiere que podemos estar viendo una mezcla diferente de granos, por ejemplo, granos similares al grafito o al diamante", agrega Witstok. "Esto también podría ser producido en escalas de tiempo cortas por estrellas Wolf-Rayet o eyecciones de supernovas".
La detección de esta característica en el Universo temprano es sorprendente, y permite a los astrónomos postular sobre los mecanismos que podrían crear tal mezcla de granos de polvo. Esto implica aprovechar el conocimiento existente de observaciones y modelos. Witstok sugiere granos de diamante formados en eyecciones de supernova porque los modelos han sugerido previamente que los nanodiamantes podrían formarse de esta manera. Las estrellas Wolf-Rayet se sugieren porque son excepcionalmente calientes hacia el final de sus vidas, y las estrellas muy calientes tienden a vivir rápido y morir jóvenes; dando tiempo suficiente para que generaciones de estrellas hayan nacido, vivido y muerto, para distribuir granos ricos en carbono en el polvo cósmico circundante en menos de mil millones de años.
Los modelos también han demostrado que los granos ricos en carbono pueden ser producidos por ciertos tipos de estrellas Wolf-Rayet, y lo que es igual de importante que esos granos pueden sobrevivir a las muertes violentas de esas estrellas. Sin embargo, sigue siendo un desafío explicar completamente estos resultados con la comprensión existente de la formación temprana del polvo cósmico. Por lo tanto, estos resultados servirán de base para el desarrollo de modelos mejorados y observaciones futuras.