Desde que abrió su gigantesco ojo infrarrojo en el cosmos después de su lanzamiento en diciembre de 2021, el Telescopio Espacial James Webb (JWST) ha encontrado un sorprendente exceso de galaxias brillantes que se remontan al universo primitivo. Su brillo (un indicador de su número de estrellas y, por tanto, de su masa) es profundamente desconcertante porque las galaxias no deberían haber tenido tiempo suficiente para volverse tan voluminosas en épocas cósmicas tan tempranas. Imagínese visitar un país extranjero y descubrir que muchos de sus niños pequeños pesaban tanto como los adolescentes. Quizás usted también tenga preguntas: ¿La causa de que los niños sean tan grandes es algo que está en el agua, o podría ser que su comprensión del crecimiento humano sea fundamentalmente defectuosa? Los teóricos que reflexionaron sobre las grandes y brillantes galaxias tempranas del JWST sintieron lo mismo: ¿Había algo fundamental mal en nuestra comprensión de la cosmología? Es decir, ¿fue nuestro conocimiento de la expansión del universo después del Big Bang? simplemente incorrecto?
La respuesta, al parecer, no tiene por qué ser tan dramática.
Al investigar algunas de estas galaxias tempranas, varios estudios ahora apuntan más hacia una explicación astrofísica para la circunferencia inesperada (como agujeros negros de formación temprana o explosiones de formación estelar) que hacia un resultado que destroza la física. “La mayoría de la gente apostaría por la explicación astrofísica en este momento”, dice Mike Boylan-Kolchin, cosmólogo de la Universidad de Texas en Austin. “Yo también me incluiría en esa categoría”.
Sobre el apoyo al periodismo científico
Si está disfrutando este artículo, considere apoyar nuestro periodismo galardonado al suscribiéndose. Al comprar una suscripción, ayudas a garantizar el futuro de historias impactantes sobre los descubrimientos y las ideas que dan forma a nuestro mundo actual.
Antes del debut del JWST, su predecesor, el Telescopio Espacial Hubble, ostentaba el récord de la galaxia más antigua jamás encontrada. Vemos ese objeto, llamado GN-z11, tal como era hace unos 13.400 millones de años, unos 400 millones de años después del Big Bang. Sin embargo, tan pronto como JWST dirigió su mirada hacia el universo, rompió repetidamente el récord del Hubble. Ahora estudiamos el estiramiento de las galaxias. hasta al menos 320 millones de años después del gran estallido. Y a finales de este año, la publicación de nuevos datos de los estudios de galaxias en curso del JWST debería hacer retroceder aún más este récord.
Las galaxias vistas por primera vez por JWST eran más brillantes y más activas de lo esperado, con tasas de formación de estrellas comparables a la tasa de una estrella por año de nuestra Vía Láctea actual. Pero estaban comprimidos en tamaños mucho más compactos, alrededor de 1.000 veces más pequeños que nuestra galaxia. Y a medida que JWST profundizó en el universo primitivo, también examinó una franja algo posterior de la historia cósmica, hasta unos 750 millones de años después del Big Bang. Las galaxias más antiguas que encontró allí todavía eran bastante jóvenes y extrañas: eran hasta 30 veces más pequeñas que la Vía Láctea (100 veces más grandes de lo esperado) y tenían tasas de formación de estrellas que debieron ser 1.000 veces más altas que las nuestras. Los científicos denominaron galaxias ultramasivas a estos sistemas relativamente más antiguos y no dejaron de rascarse la cabeza: ninguno de los dos conjuntos de galaxias podía explicarse completamente con nuestros modelos actuales.
Hoy en la revista Cartas de revisión física, Nashwan Sabti de la Universidad Johns Hopkins (JHU) y sus colegas han propuso una solución para las galaxias ultramasivas de JWST. Utilizaron datos existentes del Hubble para examinar cientos de galaxias en luz ultravioleta en la misma época del universo que estas galaxias, entre 450 y 750 millones de años después del Big Bang. A diferencia del JWST, que observa principalmente en infrarrojo, el Hubble es sensible al extremo ultravioleta (UV) del espectro electromagnético, donde las estrellas jóvenes masivas brillan más. Las observaciones ultravioleta del Hubble permitieron a los investigadores medir mejor las tasas de formación de estrellas en las misteriosas galaxias ultramasivas. “Así que tenemos la tasa de formación estelar (el cambio en la masa estelar a lo largo del tiempo) versus la propia masa estelar del JWST”, dice Sabti.
Al comparar esos dos datos, Sabti y sus colegas descubrieron que las galaxias podrían explicarse dentro de los límites de nuestro modelo cosmológico del universo: el modelo Lambda Cold Dark Matter (Lambda-CDM), que replica mejor los patrones y propiedades observados de galaxias y otras grandes estructuras cósmicas. No se requirió física esotérica. De hecho, cualquier ajuste de este tipo pondría las observaciones del Hubble en desacuerdo con el JWST; las galaxias crecían exactamente como se esperaba de acuerdo con las predicciones de Lambda-CDM. “Hemos demostrado que el Hubble realmente no da mucho margen de maniobra para jugar con la cosmología”, dice Sabti. “Eso significa que la fuente [of the ultramassive galaxies] Es muy probable que sea astrofísica”.
Boylan-Kolchin dice que el artículo hace un “gran comentario” al comparar los datos del Hubble y el JWST de este período del universo. Sin embargo, todavía no está completamente convencido. “No creo que sea irrefutable que tenga que haber una explicación astrofísica”, afirma. “El vacío legal es que no necesariamente estás observando las mismas galaxias con JWST y Hubble. Las galaxias pueden ser luminosas. [in infrared] para JWST pero invisible para Hubble. Si los más masivos se encuentran en ese [infrared] régimen, entonces tal vez el Hubble no los estaría viendo”.
Sin embargo, el artículo de Sabti no es el único trabajo reciente que apunta hacia una explicación astrofísica para las peculiares galaxias de JWST. En el Cartas de revistas astrofísicas El mes pasado, Joseph Silk de JHU y la Universidad de la Sorbona en París y sus colegas observó las primeras galaxias visto por JWST, que son anteriores al GN-z11. Los investigadores escribieron que podría haber una manera de hacer crecer las galaxias más rápidamente en el universo si los agujeros negros se formaran antes que las galaxias mismas, dentro de los primeros 50 millones de años después del Big Bang. Eso podría explicar por qué las tasas de formación de estrellas en el universo primitivo eran tan altas: los agujeros negros podrían haber impulsado las galaxias antes de lo esperado y aplastar nubes de polvo y gas para convertirlas en estrellas más rápidamente en procesos astrofísicos razonablemente bien comprendidos llamados retroalimentación y flujo de salida.
“Hay muchos más agujeros negros de los que esperábamos” en las observaciones del JWST, dice Silk, “y las galaxias en las que se encuentran son muy compactas”, apenas 300 años luz de diámetro, en comparación con el diámetro de nuestra Vía Láctea de 100.000 años luz. “Esto significa que la retroalimentación mejora enormemente”, dice Silk. “Nuestra hipótesis básica es que los agujeros negros realmente se formaron antes que la mayoría de las estrellas, y sus vigorosos flujos de salida crearon luego muchas estrellas. Con el paso del tiempo, esto desapareció y condujo a la formación estelar más convencional que conocemos. [today]. Creemos que esto es simplemente un fenómeno muy especial que ocurrió desde el principio y que puede explicar los misterios que estamos viendo con Webb”.
Fabio Pacucci del Centro de Astrofísica | Harvard & Smithsonian y sus colegas han estudiado el papel que los agujeros negros pueden haber desempeñado en un momento posterior de la evolución de las galaxias. En una galaxia como la nuestra en el universo moderno, la masa de las estrellas supera la masa del agujero negro supermasivo central de la galaxia (una característica omnipresente en las galaxias grandes) en una proporción de 1.000 a 1. Examinando el período, 750 millones a 1,5 Mil millones de años después del Big Bang observado por JWST, Pacucci encontró que algunas galaxias en este período pueden tener un agujero negro cuya masa coincida con su masa estelar, o tal vez incluso la supere. Esto apunta a un modelo de crecimiento de agujeros negros en el universo primitivo en el que los agujeros negros crecieron a partir del colapso directo de nubes de polvo y gas en los primeros 100 millones de años del cosmos y no a partir de estrellas. Este resultado es coherente con el de Silk y sus colegas y, por tanto, puede reforzar la explicación astrofísica del rápido crecimiento temprano de las galaxias.
Si esa idea es correcta, los próximos observatorios de ondas gravitacionales, como el observatorio espacial de la Antena Espacial con Interferómetro Láser (LISA), que fue recientemente aprobado por la Agencia Espacial Europea y cuyo lanzamiento está previsto para 2035, podría encontrar estos agujeros negros de “semillas pesadas”. “Si se produjeran estas semillas pesadas, veríamos muchas fusiones” con LISA, afirma Pacucci. “Es posible que esto alivie el problema de la masa excesiva”.
También hay formas de explicar las galaxias del JWST sin agujeros negros. Guochao Sun de la Universidad Northwestern y sus colegas han sugerido que algunas galaxias en el universo puede haber pasado por Períodos de formación estelar “ráfaga”. Una abundancia de supernovas podría haber conducido temporalmente a un proceso de retroalimentación durante aproximadamente 10 millones de años que incrementó la formación de estrellas a tasas “de 10 a 100 veces” más altas que las de galaxias más tranquilas, dice Sun. Esto podría haber causado que el brillo de algunas galaxias en el universo primitivo “saltara hacia arriba y hacia abajo de manera muy drástica”, dando lugar a una muestra sesgada de galaxias brillantes más visibles. “No es necesario formar estrellas con una eficiencia muy alta”, añade Sun. Puede ser que las primeras galaxias misteriosamente brillantes del JWST representen simplemente el extremo superior de fluctuaciones dramáticas en la formación estelar, siendo las galaxias más tenues y prosaicas las más numerosas pero aún no vistas.
La astrofísica, por el momento, reina suprema. Sin embargo, hay mucho en juego. “El hecho de que la cosmología pueda estar en juego aquí significa que realmente vale la pena seguirla hasta excluirla”, dice Boylan-Kolchin. Los agujeros negros y la formación de estrellas ofrecen explicaciones prometedoras hasta el momento. Pero los científicos estarán atentos a los nuevos resultados del JWST para ver cuál de estos nuevos modelos, si alguno, se mantiene firme.