El nuevo telescopio espacial solo ha estado en funcionamiento durante seis meses. Y ya trae a los astrónomos que necesitan una explicación. ¿Cómo es posible que las galaxias fueran tan grandes 350 millones de años después del Big Bang?
Galaxias hasta donde alcanza la vista. Los astrónomos apenas han comenzado a analizar la gran cantidad de datos que les proporciona el Telescopio James Webb.
El crecimiento lleva tiempo. Cualquiera que haya seguido a bebés convirtiéndose en niños y niños convirtiéndose en adultos puede dar fe de ello. Algunos crecen un poco más rápido que los otros. Pero cualquiera se frotaría los ojos con asombro si de repente un niño con la cara de un niño de 5 años pero la constitución de un adolescente se parara frente a ellos.
Los astrónomos se enfrentan actualmente a una situación similar. Desde que el telescopio espacial James Webb entró en funcionamiento, se han quedado asombrados. Una mirada al pasado distante revela galaxias que ya brillaban notablemente 350 millones de años después del Big Bang. En ese momento, el universo no había alcanzado ni el tres por ciento de su edad actual de 13.800 millones de años. Cómo las galaxias pudieron llegar a ser tan grandes y brillantes en tan poco tiempo es un misterio para el que aún no existe una explicación concluyente.
Cada mirada a lo lejos es una mirada al pasado
Para echar un vistazo a la guardería del universo, los astrónomos buscan galaxias cuya luz haya cambiado a longitudes de onda rojas por el universo en expansión. Un corrimiento al rojo grande indica que una galaxia está muy lejos de nosotros. Y eso significa que debe haber existido desde muy temprano. De lo contrario, su luz no habría llegado a la tierra. Una mirada a lo lejos es siempre una mirada al pasado.
Evolución del Universo desde el Big Bang hace 13.800 millones de años
La luz infrarroja se puede capturar con el telescopio James Webb. Esto permite mirar hacia atrás a una época en que el universo tenía menos de 500 millones de años. En algún momento durante este período, las primeras estrellas y galaxias debieron formarse a partir de hidrógeno y helio.
El modelo actual de cosmología, el llamado modelo lambda CDM, describe cómo se formaron las primeras estructuras: comenzó con una forma hipotética de materia que no podemos ver porque no absorbe ni emite luz. Esta materia oscura, dice la teoría, comenzó a agruparse bajo la influencia de la fuerza gravitacional. Se formaron estructuras esféricas, los llamados halos, que se convirtieron en el centro de atracción de la materia gaseosa normal. En algún momento, la nube de gas, que consiste en hidrógeno y helio, se comprimió y enfrió tanto que comenzó a colapsar bajo la influencia de la gravedad. Las estrellas de las primeras galaxias se formaron en los halos.
Dos galaxias, Glass-z12 y Glass-z10, llamaron la atención de los astrónomos desde el principio. El valor z representa el presunto corrimiento al rojo de las galaxias. Cuanto mayor sea este valor, más lejos está una galaxia.
Incluso las primeras imágenes del telescopio James Webb plantearon dudas sobre si la evolución de las galaxias realmente sucedió de esa manera. Se podían ver pequeños puntos rojos en las imágenes, que muy probablemente eran galaxias distantes. Este tipo de galaxias ya se habían visto con el telescopio Hubble, el antecesor del telescopio James Webb. Pero las galaxias vistas ahora parecían aún más lejanas.
De un salto característico en el espectro de luz concluyeron los astrónomos, entre ellos Pascal Oesch de la Universidad de Ginebra, que dos de estas galaxias ya habían existido cuando el universo tenía solo 350 a 450 millones de años. En este punto ya habían acumulado una masa de mil millones de soles.
La formación de estrellas no solo comenzó muy temprano, sino que también tuvo lugar a una velocidad vertiginosa. Esto también lo prueban seis galaxias un poco más viejas, sobre los investigadores. informó en el último número de la revista «Nature».. A juzgar por su brillo, ya tenían una masa de más de diez mil millones de soles entre 500 y 700 millones de años después del Big Bang. En un caso eran incluso casi 100 mil millones de masas solares. Esto corresponde aproximadamente a la masa de todas las estrellas de nuestra Vía Láctea.
Como parte del sondeo de Jades, se descubrieron galaxias, algunas de las cuales son aún más distantes, incluida la nueva poseedora del récord Jades-GS-z13-0 (arriba a la derecha). El corrimiento al rojo de estas cuatro galaxias ahora ha sido confirmado espectroscópicamente.
El polvo puede dar la ilusión de una distancia incorrecta
Mientras tanto, los astrónomos que utilizan el Telescopio James Webb han detectado docenas de galaxias que pueden estar aún más distantes. Esto incluye la galaxia Jades-GS-z13-0, que existió 325 millones de años después del Big Bang. Actualmente es considerada la plusmarquista oficial de distancia. Aún más extrema es una galaxia llamada CEERS-1749. Apenas 220 millones de años después del Big Bang, ya podría haber tenido una masa de cinco mil millones de soles. Eso rompería prácticamente cualquier modelo de evolución de galaxias, dice Oesch, quien recientemente estudió esta galaxia con más detalle.
El estudio sin embargo, también mostró que CEERS-1749 es un candidato muy incierto. Podría ser que el salto en su espectro de luz sea causado por el polvo que absorbe parte de la luz. En este caso, la gran distancia sería sólo una ilusión. Por ello, los astrónomos insisten en confirmar la distancia de las galaxias mediante observaciones espectroscópicas. Esto se ha logrado ahora con Jades-GS-z13-0, pero aún no con CEERS-1749 y muchas otras galaxias distantes. Por el momento, por lo tanto, solo se consideran candidatos.
¿Qué tan pesadas pueden llegar a ser las galaxias?
Para comprender la formación de tales galaxias, los astrónomos recurren a simulaciones por computadora. Modelan cómo la materia oscura en el universo primitivo se agrupó en halos, cómo los pequeños halos se hicieron más grandes en un proceso jerárquico y cómo el gas ordinario finalmente se acumuló en ellos y se condensó en estrellas. Se deben tener en cuenta varios procesos de retroalimentación, que pueden tanto inhibir como acelerar la formación de estrellas. Estos modelos se pueden utilizar para estimar cuánta masa pueden acumular las galaxias a lo largo del tiempo y con qué frecuencia deberían encontrarse en una determinada región del cielo.
Algunas de las galaxias encontradas hasta ahora con el telescopio James Webb encajan en esta imagen de la evolución de las galaxias. Esto se aplica, por ejemplo, a la galaxia Jades-GS-z13-0 confirmada espectroscópicamente. Aunque debió formarse muy temprano, después de 325 millones de años había acumulado «solo» una masa de 100 millones de soles.
Sin embargo, las seis galaxias, que ya eran más pesadas que 10 mil millones de soles entre 500 y 700 millones de años después del Big Bang, están fuera del alcance de los modelos. Eso muestra uno publicación por Michael Boylan-Kolchin de la Universidad de Texas en Austin. Según sus cálculos, los halos de materia oscura no podrían acumular suficiente gas en 500 millones de años para formar galaxias tan masivas. Y eso es cierto independientemente de los intrincados detalles de la formación de galaxias. Incluso si todo el gas presente se ha convertido en estrellas, lo que es poco probable, sigue existiendo un déficit.
Si la distancia de estas galaxias masivas se confirmara mediante investigaciones espectroscópicas, habría que reconsiderar el modelo estándar de cosmología. Pero no es fácil encontrar alternativas, porque este modelo está respaldado por numerosas observaciones.
Por ejemplo, se discute si el universo pasó por una breve fase de expansión acelerada antes de la formación de las primeras estrellas. Eso daría a las galaxias una ventaja. La expansión acelerada posiblemente también podría explicar por qué se mide un valor diferente para la constante de Hubble en el universo primitivo que en el universo posterior. Esta discrepancia, también conocida como «Tensión de Hubble», es actualmente uno de los mayores obstáculos para el Modelo Estándar de cosmología.
No todas las galaxias brillantes tienen que ser masivas
Sin embargo, muchos investigadores creen que todavía es demasiado pronto para decir adiós al modelo estándar de cosmología. La distancia de las primeras galaxias no es el único factor de incertidumbre, dice el astrofísico Daniel Schaerer de la Universidad de Ginebra. También es posible que se sobreestime su masa. Hasta ahora, esto no se puede medir directamente. En su lugar, estímalos en función del brillo de la galaxia.
Al hacerlo, los astrónomos utilizan una distribución típica de masas estelares como base, como se puede observar en las regiones de formación estelar de la Vía Láctea. Aquí es donde se forman principalmente estrellas ligeras con poca luminosidad. Las estrellas masivas, por otro lado, son la excepción. Puede haber sido diferente en el universo primitivo. Dado que las estrellas masivas son desproporcionadamente brillantes, se podría producir el mismo brillo con menos masa. Según Schaerer, todavía no hay evidencia de que las masas de las estrellas estuvieran distribuidas de manera diferente en el universo primitivo. Pero eso no se puede descartar.
Oesch también cree que se necesitan pruebas más sólidas para refutar el modelo estándar de cosmología. Posiblemente uno simplemente tuvo suerte de haber encontrado galaxias tan brillantes a una gran distancia con el telescopio James Webb. El siguiente paso es examinar si los candidatos encontrados hasta ahora son representativos de la población de galaxias tempranas.
La buena noticia es que no tienes que esperar a un telescopio de próxima generación para eso. También se pueden realizar más observaciones con el telescopio James Webb: las solicitudes ya se han presentado y algunas ya han sido aprobadas. En dos años a más tardar debería saberse si necesitamos revisar nuestras ideas sobre el universo primitivo. Difícilmente se podría esperar más del telescopio James Webb.
Siga a los editores científicos de la NZZ Gorjeo.