Desde su lanzamiento a fines de 2021, el telescopio espacial James Webb (JWST) ha vislumbrado algunas de las primeras épocas del tiempo cósmico. Sus observaciones tienen Míneas de cosmólogos estirados de Cuando las galaxias pueden haber comenzado a formarse por primera vez. Y ahora algunas de las observaciones más alejadas del telescopio hasta ahora han revelado fuentes de luz ultravioleta azul de una época cuando las estrellas aún no deberían haber existido.
Las observaciones indican nueve nuevas fuentes de luz, con seis en Redshift 17 y tres en RedShift 25, cuando el universo tenía solo 200 millones a 100 millones de años. “Es el más profundo por un factor de unos pocos en comparación con cualquier otro datos obtenidos por Jwst en toda la misión“, Dice Pablo G. Pérez-González, astrofísico del Centro de Astrobiología en Madrid. Es autor principal de A papel de preimpresión informar los hallazgos que han sido aceptados para su publicación en el Diario astrofísico.
“Si confirmamos que realmente están en esos desplazamientos al rojo, el universo era mucho más activo sus primeros 200 millones de años” de lo que los astrónomos habían pensado, dice Pérez-González.
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Si es preciso, los objetos recién avistados no se expanden simplemente la línea de tiempo de la formación de galaxias Volver a un período mucho más temprano; Se sientan en conflicto directo con los mejores modelos cosmológicos de los astrónomos de cuando las estrellas comenzaron a formarse durante el amanecer cósmico. Por esta razón, otro grupo de astrónomos ha presentado una hipótesis para dar sentido a estos hallazgos desconcertantes. Han propuesto que Agujeros negros “primordiales” Creado justo después del Big Bang puede haber iluminado el universo antes de las primeras estrellas. Su papel de preimpresión ha sido aceptado para su publicación en la revista Astronomía y astrofísica.
“Si las estrellas no pueden explicar la fuente de la luminosidad y los números que vemos, algo más debería producir la luz”, dice Andrea Ferrara, astrofísica de la Escuela Normal Superior (SNS) en Pisa, Italia y coautor del primer artículo. “Esto solo puede ser un agujero negro primordial”.
En otras palabras, es posible que los primeros objetos que bañen el universo temprano con la luz no sean estrellas, sino más bien hambrientos agujeros negros que estallaron solo unos segundos después del Big Bang.
El problema con las primeras galaxias
Cuanto más nos enfrentamos a nuestros horizontes cósmicos, más atrás en el tiempo vemos. Y debido a que el universo en sí se está expandiendo, la luz que viaja desde fuentes extremadamente distantes ha extendido su longitud de onda hasta la parte infrarroja del espectro electromagnético. Este fenómeno es lo que los astrofísicos se refieren como desplazamiento al rojo. Cuanto mayor sea el desplazamiento al rojo de un objeto distante, por lo tanto, más retrocede en el tiempo que está buscando.
Antes de JWST, los astrónomos de galaxias de desplazamiento rojo más altos confirmados habían observado que estaba en Redshift 9, cuando el universo tenía 600 millones a 500 millones de años. Durante los primeros años después de su lanzamiento, JWST gastó una cantidad significativa de su tiempo confirmando galaxias previamente identificadas que habían sido observadas por el Telescopio Espacial Hubble (HST).
Variables como la concentración de la materia oscura, una fuente gravitacional invisible que supera la materia visible en el universo de seis a uno, y las condiciones necesarias necesarias para la formación de estrellas proporcionan a los cosmólogos restricciones para determinar una línea de tiempo aproximada para la evolución de las galaxias en el universo temprano. Pero después del verano de 2022, cuando JWST comenzó a revelar candidatos galácticos en épocas anteriores, los astrónomos comenzaron a darse cuenta de que algo no tenía sentido.
“JWST está encontrando demasiadas galaxias demasiado masivas demasiado temprano en el universo”, dice la astrofísica Allison Kirkpatrick de la Universidad de Kansas, que se especializa en la evolución de las galaxias y no participó en los nuevos estudios.
Hasta la fecha, el más antiguo confirmado Las galaxias observadas por JWST están en RedShift 14, cuando el universo tenía solo 300 millones de años. “Entonces, la idea aquí era ir más allá de eso, al desplazamiento al rojo 15 y más allá”, dice Pérez-González, “en busca de las primeras galaxias jamás formadas”.
El informe de su equipo de nueve objetos nuevos en desplazamientos rojos aún más altos necesitará confirmación. Para determinar si los objetos están tan lejos como parecen estar, los astrónomos deben dividir su luz en longitudes de onda específicas en un proceso llamado espectroscopía.
Basándose en los datos recopilados por la cámara infrarroja cercana de JWST (NIRCAM) sobre dos encuestas de imágenes, Pérez-González y su equipo identificaron las nuevas galaxias candidatas de un grupo de más de 80,000. Después de obtener imágenes de una región del cielo con diferentes filtros durante más de 100 horas, los astrónomos pudieron identificar galaxias con diferentes brillos y seleccionar los candidatos más prometedores para una mayor observación. Lanzar una red amplia significa que es menos probable que su muestra sea sesgada antes de acercarse a los objetos distantes más interesantes.
Las presuntas galaxias Pérez-González y su equipo encontraron brillo con luz azul brillante en el rango ultravioleta del espectro, exactamente los astrónomos de luz creen que las primeras estrellas masivas habrían producido. Sin embargo, el problema con este escenario es que los modelos de evolución de Galaxy tienen un momento extremadamente difícil produciendo estrellas en las primeras etapas del desarrollo del universo. Es dudoso que este período de tiempo haya permitido suficiente tiempo para que el gas se enfríe y se reuniera en nubes lo suficientemente grandes como para colapsar gravitacionalmente en la primera generación de estrellas.
“Las galaxias no pueden formarse rápidamente porque el gas en el universo temprano está muy caliente, evitando que se derrumbe en galaxias y estrellas”, dice Kirkpatrick. “En cambio, la estructura de la materia oscura crece primero, y la inmensa gravedad funnels Gas al centro para cultivar las primeras estrellas y galaxias. Todo esto lleva tiempo, más de 100 millones de años”.
Agujeros negros desde el principio
Para evitar este problema, Ferrara y sus colaboradores proponen que los agujeros negros primordiales, una población distinta de agujeros negros que pueden haber surgido en los primeros segundos después del Big Bang, consumían gases en el universo temprano. Este frenesí de alimentación podría haber liberado la luz que ahora estamos detectando con JWST en los períodos antes de que se formaran las primeras estrellas. Curiosamente, los agujeros negros, no las estrellas, podrían haber sido las primeras fuentes significativas de luz en el universo temprano.
Por lo general, los agujeros negros se forman cuando las estrellas masivas colapsan después de que se quedan sin combustible o cuando una gran nube de gas colapsa directamente sobre sí misma, sin pasar por la fase estelar. Los agujeros negros primordiales, sin embargo, son diferentes. “Lo que proponemos es que los agujeros negros primordiales se formaron menos de un segundo a cinco segundos después del Big Bang”, dice Ferrara. “Estos han estado esencialmente allí para siempre, desde el principio”.
Inicialmente, estos agujeros negros habrían comenzado pequeños, “no más grande que el tamaño de un átomo”, dice Kirkpatrick. Los científicos piensan que en el primer segundo del universo, tal como lo sabemos, estalló en existencia, un período rápido de expansión, conocido como inflación, hizo que el espacio aumente de tamaño en 35 órdenes de magnitud, equivalente a un átomo que se extiende al tamaño del sistema solar. “Esto tiene muchas consecuencias, incluida la creación de agujeros negros muy pequeños”, dice Kirkpatrick. Aunque comienzan pequeños, después de 100 millones de años, estos agujeros negros pueden haber aumentado a 10,000 veces la masa del sol, Ferrara y su equipo sospechan.
Cuando el gas se acerca a un agujero negro, se calienta a temperaturas abrasadoras, y esta materia sobrecalentada emite luz. Desde la distancia, puede parecer similar a la atmósfera de una estrella. Por esta razón, la diferencia entre la explicación primordial del agujero negro y la explicación estelar, basada en los datos de imágenes actuales, es casi imposible de desenredar. Pero puede haber otras pistas.
Una forma de distinguir si estas fuentes de luz son agujeros negros primordiales o estrellas de primera generación sería mirar los tamaños de las galaxias. Si parecen más punto, entonces la explicación primordial de agujeros negros tendría más sentido porque un agujero negro masivo sigue siendo pequeño en comparación con una galaxia entera. Pero si las fuentes de luz son difusas y extendidas, entonces es más probable que sean estrellas.
“Así que medimos los tamaños, y algunos de los candidatos son, según nuestro conocimiento, con los datos que tenemos, punto, pero no todos.
En este momento, los datos apenas son definitivos. Debido a que los agujeros negros primordiales han existido hipotéticamente desde el comienzo del universo, también deben dejar rastros en el fondo de microondas cósmico (CMB), una instantánea del universo tal como existió 380,000 años después del Big Bang. “Nuestras imágenes de los mapas de CMB todavía están demasiado borrosos para ver los detalles de la estructura fina que pueden haber introducido los agujeros negros primordiales”, dice Ferrara.
Por ahora, una respuesta definitiva está más allá del alcance. Sin embargo, la posible presencia de agujeros negros primordiales puede dar sentido a otro enigma cosmológico: La existencia de agujeros negros supermasivos en los centros de galaxias en las primeras épocas. “Todavía no hemos demostrado cómo se forman las primeras semillas de agujeros negros supermasivos, y esta podría ser una vía. Ayudaría a resolver parte de la tensión con las observaciones de JWST y los modelos cosmológicos”, dice Kirkpatrick.
“Estas observaciones son difíciles, y estamos empujando el JWST a su límite”, dice Ferrara. “Tenemos que tener cuidado porque tal vez estas galaxias podrían ser contaminantes o galaxias de desplazamiento de rojo inferior o algo más”. Pero si estas misteriosas balizas negras superan las primeras estrellas es una pregunta a la que pronto tendremos una respuesta.
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