Subaru y Webb unen fuerzas para medir cómo la luz escapó del Universo temprano
Imagen destacada: [Impresión artística de la radiación Lyman-alpha escapando de galaxias tempranas durante la Época de la Reionización; crédito: NAOJ/NASA/ESA]
Un equipo de astrónomos japoneses liderado por Shunta Shimizu de la Universidad de Tokio ha logrado la primera medición directa de la fracción de escape del Lyman-alpha (Lyα) durante la Época de la Reionización, combinando datos del telescopio Subaru en Mauna Kea y el telescopio espacial James Webb. El resultado, publicado como preimpresión enviada a Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, revela que aproximadamente el 10% de los fotones ionizantes escapan de las galaxias en un corrimiento al rojo de 6,2, cuando el Universo tenía menos de mil millones de años.
La medición es importante porque aborda una de las preguntas abiertas más persistentes en cosmología: qué impulsó la reionización cósmica, el período en que la niebla de hidrógeno neutro se quemó y el Universo se volvió transparente a la luz.
Un truco inteligente con filtros
El equipo aprovechó una rara coincidencia en las longitudes de onda de los filtros. El filtro F470N de la NIRCam del JWST, centrado en 4,7 micrómetros, captura la emisión Hα de galaxias con un corrimiento al rojo de aproximadamente 6,2. El filtro NB872 de la Hyper Suprime-Cam (HSC) de Subaru, centrado en 872 nanómetros, captura la emisión Lyα del mismo corrimiento al rojo exacto. Juntos, los dos filtros forman un par único de banda estrecha que permite a los astrónomos medir ambas líneas de recombinación del hidrógeno de las mismas galaxias en la misma época cósmica.
Las mediciones anteriores de la fracción de escape de Lyα a alto corrimiento al rojo se basaban en métodos indirectos o muestras pequeñas. Este estudio identificó 84 emisores de Hα (HAE) en el campo JWST CEERS (Cosmic Evolution Early Release Science), de los cuales 56 produjeron fotometría confiable en la banda NB872 de Subaru. Diecinueve mostraron emisión Lyα por encima del umbral de 2 sigma.
El apilamiento de los datos con ponderación por completitud produjo una fracción de escape mediana de 0,106, con un error asimétrico de más 0,066 y menos 0,044. En otras palabras, aproximadamente uno de cada diez fotones Lyα producidos dentro de estas galaxias realmente logra salir al medio intergaláctico.
¿Quién ionizó el Universo?
La Época de la Reionización, que abarca aproximadamente desde el corrimiento al rojo 10 hasta el 6, es el período en que las primeras estrellas y galaxias emitieron suficiente radiación ultravioleta para arrancar electrones del hidrógeno neutro en todo el cosmos. Durante años, los modelos convencionales asumieron que solo las galaxias más débiles y de menor masa producían suficientes fotones ionizantes por masa estelar para impulsar esta transición. Se pensaba que las galaxias más brillantes atrapaban sus fotones Lyα dentro de medios interestelares polvorientos o ricos en gas.
Los resultados de Shimizu et al. desafían esa imagen. La fracción de escape mediana de aproximadamente el 10% está en línea con otras mediciones recientes en corrimientos al rojo similares, pero el hallazgo clave es que estas galaxias son emisores Hα relativamente luminosos, no enanas ultra-débiles.
«Si el escape de Lyα es un indicador de la fuga del continuo de Lyman», escriben los autores, «esto podría sugerir que los HAE relativamente luminosos, en lugar de solo las galaxias más débiles, pueden proporcionar una contribución importante al presupuesto de fotones ionizantes durante la EoR».
¿Qué controla el escape?
El estudio también aclara por qué algunas galaxias dejan salir los fotones Lyα mientras que otras los atrapan. El equipo encontró que la fracción de escape se correlaciona positivamente con el ancho equivalente de Lyα y negativamente con la pendiente del continuo UV (β) y el tamaño UV en el marco de reposo. Las galaxias compactas y azules con pendientes UV pronunciadas filtran más Lyα. De manera crítica, no hubo correlación significativa con el parámetro de extinción global del polvo E(B-V) o con el tamaño óptico en el marco de reposo.
Estos resultados sugieren que la variación de galaxia a galaxia en el escape de Lyα está impulsada por componentes compactos de formación estelar de baja atenuación visibles en el UV, no por el contenido global de polvo de la galaxia. Una pequeña región de formación estelar intensa con poco polvo puede perforar un canal claro para los fotones Lyα incluso dentro de una galaxia más grande y polvorienta.
Una nueva ventana a la Reionización
La técnica de doble banda estrecha pionera en este trabajo abre un nuevo canal de observación para la Época de la Reionización. A medida que JWST continúa sus programas de estudio y la HSC de Subaru sigue recopilando imágenes profundas, la muestra de HAE con mediciones tanto de Hα como de Lyα crecerá, ajustando las restricciones sobre la fracción de escape y su dependencia de las propiedades de las galaxias.
El artículo (arXiv:2607.08264) está enviado a MNRAS y enumera 18 autores de instituciones japonesas, incluida la Universidad de Tokio, la Universidad de Kioto, la Universidad de Waseda y el NAOJ.
Traducido por Alessandra