TNunca se supuso que las galaxias fueran tan brillantes ni tan grandes. Y sin embargo, ahí están: objetos extrañamente grandes y luminosos que siguen apareciendo en imágenes tomadas por el telescopio espacial James Webb (JWST).
kevin hainline Hainline forma parte de un equipo que utiliza el JWST para encontrar estas galaxias, cuyo brillo, masa aparente y existencia en un abrir y cerrar de ojos después del Big Bang son algunas de las mayores sorpresas de la misión, que ya lleva tres años en funcionamiento. Y estos hallazgos han suscitado muchas preguntas. En agosto, Hainline y otros investigadores se reunieron en el Instituto Kavli de Física Teórica (KITP) en Santa Bárbara, California, para descifrarlas todas.
“La gente decía: 'Bueno, Kevin, no puede ser... en la ", me dijo. "Y los observadores dicen: 'Bueno, esto es lo que vemos', y luego los teóricos pueden ir a descifrarlo y hacer experimentos".
Después de la primera mañana de la conferencia, me encontré con Hainline en el patio. Los nuevos descubrimientos de los que había oído hablar me parecieron revolucionarios, tal vez incluso un cambio de paradigma. Quería comprobar mi reacción con una de las personas que estaban haciendo el trabajo. ¿Eran estos resultados tan extraordinarios como yo, un periodista, pensaba?
“Estamos llamando a la puerta de la historia”, me aseguró Hainline. “Los astrónomos deben ser más creativos a la hora de celebrar los descubrimientos”.
En Santa Bárbara, así fue. Entre presentaciones de diapositivas llenas de estrellas y rondas de cerveza Pacífico, unos 100 astrofísicos se regocijaron con los nuevos hallazgos sobre los primeros mil millones de años del universo, una época que el JWST está revelando con exquisito detalle por primera vez. Compartieron sorprendentes observaciones de “pequeños puntos rojos”, que abundan en los datos del JWST y cuya naturaleza sigue siendo esquiva, así como imágenes de otras galaxias tempranas que parecen extremadamente azules. Se maravillaron ante extrañas formas galácticas, incluidos objetos brillantes que se resuelven en cúmulos compactos, como racimos de uvas, y otros que se parecen a plátanos. La gente discutió sobre los enormes agujeros negros detectados en esos primeros tiempos y las circunstancias de su formación.
Susan Kassin, astrónoma del Instituto de Ciencia del Telescopio Espacial, mostró imágenes de observatorios anteriores comparadas con las del JWST. Fue como si un optometrista volteara una lente para que las últimas líneas de una tabla optométrica quedaran enfocadas. “Gracias, Webb, es una diferencia de 10 mil millones de dólares”, dijo. La gente se rió y asintió.
El JWST es único por su capacidad de ver el cosmos joven, que se ha alejado de nosotros tanto en el espacio como en el tiempo. Sus sensores infrarrojos, su ubicación ultrafría en el espacio y su parasol (que bloquea la luz del Sol, la Luna y la Tierra) son excepcionalmente adecuados para distinguir las primeras galaxias y sus estrellas. Estos objetos son demasiado débiles y están en longitudes de onda incorrectas para ser vistos por observatorios anteriores, como el telescopio espacial Hubble.
Para los astrónomos, el ambiente es de camaradería. Muchas presentaciones en la conferencia del KITP incluyeron peticiones de colaboración y socios para intercambiar ideas.
“Cuando aparecieron los primeros datos, la competencia era muy intensa. Ahora se trata de generar ideas”, dijo Caitlin Casey de la Universidad de Texas, Austin. “Hay una gran cantidad de datos y todo el mundo tiene suficientes”.
el astrofísico raquel somerville, coorganizador de la reunión, dijo que la comunidad está trabajando duro para asimilar tanto los datos del JWST como sus implicaciones. Los observadores ven cosas que no se explican en las teorías actuales sobre la evolución del cosmos joven.
“Muchas presentaciones mostraron que existe una tensión entre la teoría y la observación”, dijo Fabio Pacucci de la Universidad de Harvard, en un ejemplo de subestimación cósmica. Para enfatizar la confusión que sienten los astrónomos acerca de este telescopio único en la vida que cambiará lo que sabemos del joven universo, mostró una diapositiva irónica: una caricatura de un perro sentado en una mesa bebiendo café mientras su casa está en llamas, con la leyenda “Esto está bien”.
El más grande y el más brillante
Los astrónomos no paraban de referirse a una de las galaxias más trascendentales vistas hasta ahora, una mancha de luz inesperadamente brillante llamada, con ironía, JADES-GS-z14-0. Hainline, de la Universidad de Arizona, forma parte del equipo que la descubrió con el JWST y confirmó su distancia en mayo de 2024. Es la galaxia más antigua conocida, derribando el récord anterior, que era found por el mismo equipo en 2023.
En el momento en que la galaxia brilló, las ondas sonoras del tremendo aplauso que dio origen al universo aún resonaban en el vacío. Las primeras estrellas habían nacido en un baby boom cataclísmico, y algunas ya habían muerto. También acechaban los corazones oscuros de los agujeros negros: regiones del espacio donde la gravedad es tan fuerte que ni siquiera la luz puede escapar. Y allí estaba este cúmulo de estrellas, resuelto como una forma borrosa de escorpión en los filtros del JWST. Dos instrumentos del JWST pudieron distinguir el brillo de JADES-GS-z14-0 y su distancia de la Tierra. Debido a la expansión acelerada del universo, los objetos a grandes distancias están muy lejos en el tiempo. Los astrónomos pueden determinar su edad basándose en el estiramiento de su luz en longitudes de onda más largas, conocido como corrimiento al rojo. Basándose en las mediciones más recientes, se determinó que la galaxia se encontraba en un corrimiento al rojo de 14.18, lo que significa que la vemos como apareció 300 millones de años después del Big Bang, cuando el universo tenía aproximadamente el 2% de su edad actual.
Al principio, los astrónomos especularon que la existencia de objetos tan grandes y brillantes en una época tan temprana del universo contradecía el modelo teórico predominante del cosmos, pero la gente se ha suavizado. Nuestro mejor modelo del universo —un conjunto de ecuaciones que describen la evolución de la materia y la radiación junto con la energía oscura y la materia oscura— No está muerto todavía.
“Hubo mucho sensacionalismo” en los primeros días de JWST, dijo Alicia Shapley de la Universidad de California en Los Ángeles. “No hay necesidad de eso. Los datos son tan hermosos; estudiemos simplemente el universo que tenemos”.
Los astrofísicos están debatiendo tres teorías basadas en las estrellas que explican cómo las galaxias se volvieron tan brillantes tan rápido. Una sostiene que las estrellas durante el amanecer cósmico eran muy diferentes de las estrellas actuales. Las estrellas en JADES-GS-z14-0, por ejemplo, podrían ser ultrabrillantes pero en realidad no muy masivas. Si bien esto parece plausible, también es complicado de manejar para los modeladores teóricos. La correlación entre el brillo de una estrella y su masa es un valor clave que se introduce en las simulaciones por computadora. Si este valor, conocido como la función de masa inicial o FMI, fuera diferente en el universo primitivo, entonces los investigadores tendrían que reescribir sus simulaciones para poder dar cabida a una FMI que cambia con el tiempo.
Pero a la naturaleza no le importan nuestros problemas informáticos, y un FMI cambiante es, en principio, una de las formas más lógicas de dar sentido a lo que vemos. “El FMI es realmente el castillo de naipes sobre el que construimos todo. Hay muchas razones para creer que es bastante diferente a un corrimiento al rojo muy alto”, dijo Casey.
Otra teoría sostiene que las galaxias primitivas, sumamente brillantes, estaban atravesando furiosos estallidos de formación estelar. A lo largo de 10 o 100 millones de años, el brillo galáctico podría variar en un factor de 100 a medida que la formación estelar aumentaba o disminuía. Eso es como una vela que se convierte en un reflector en el lapso de unos pocos segundos. En relación con esto, durante estos períodos de intensa actividad, las explosiones de supernovas podrían haber hecho que las cosas parecieran más brillantes de lo que parecerían de otra manera.
La tercera teoría sugiere que la formación de estrellas era mucho más eficiente entonces que ahora. En una galaxia típica actual, una pequeña fracción del gas se transforma en estrellas; la Vía Láctea construye entre dos y seis estrellas del tamaño del Sol al año. Pero tal vez la pequeñez y compacidad del universo primitivo lo convirtieron en una mejor fábrica de estrellas. Algunos cálculos sugieren una tasa de conversión de gas a estrella de casi el 100%, lo que significa un nacimiento estelar rápido y furioso, dijo Pratika Dayal de la Universidad de Groningen en los Países Bajos.
Todas estas modificaciones de la teoría existente tienen efectos secundarios, como cambios en la cantidad de polvo que debería haber y enigmas sobre cómo se establecieron los baby booms estelares. Y ni siquiera son las únicas ideas que existen. andrea ferrara, un cosmólogo de la Scuola Normale Superiore en Pisa, Italia, mostró a sus colegas en Santa Bárbara un nuevo modelo que intenta explicar las brillantes galaxias tempranas modificando la cantidad de polvo que contienen, que normalmente bloquearía la luz de las estrellas. Su modelo supone que los vientos estelares solían arrastrar más polvo. “Reducir la atenuación del polvo es mi hipótesis favorita, aunque estoy totalmente abierto a las otras dos”, dijo a los asistentes. Pero, reconoció, sus cálculos podrían no sostenerse con un corrimiento al rojo de 14, lo que significa que podrían no funcionar para galaxias como JADES-GS-z14-0.
“Así que, por favor, no descubráis otras galaxias”, concluyó, entre risas.
Grandes agujeros negros
Las teorías relacionadas con las estrellas no son las únicas. Algunos astrofísicos apuntan a agujeros negros supermasivos activos, que, según afirman, podrían calentar el gas circundante y hacer que galaxias como JADES-GS-z14-0 parezcan extremadamente brillantes.
En una serie de artículos publicados en mayo, el equipo de JADES sostiene que la galaxia está llena de estrellas y que su brillo no puede explicarse por los agujeros negros. Pero otras galaxias sí tienen ese corazón oscuro. Sabemos que los agujeros negros supermasivos que pesan cientos de millones o miles de millones de soles anclan los centros de las galaxias modernas. Y el JWST está viendo luz borrosa de muchas galaxias primitivas. indicando que su gas también está siendo arrastrado por un agujero negro supermasivo central. ¿Cómo llegaron entonces los grandes agujeros negros allí?
Desde que se predijo por primera vez que los agujeros negros eran consecuencia de la teoría de la gravedad de Albert Einstein, los astrofísicos han imaginado cómo podrían formarse a partir del colapso gravitacional interno de estrellas moribundas. Ahora saben que el cosmos está lleno de agujeros negros formados de esta manera. Pero los cosmólogos han tenido dificultades para comprender los agujeros negros supermasivos. De alguna manera, estos agujeros negros crecieron lo suficiente y con la velocidad suficiente como para dar forma a las galaxias que se formaron a su alrededor. Si comenzaron como estrellas colapsadas, habrían tenido que crecer a velocidades asombrosas que desafían toda explicación física.
Algunos cosmólogos han comenzado a apoyar una teoría alternativa para las semillas de agujeros negros supermasivos: que los agujeros negros se formaron directamente a partir del colapso de enormes nubes de gas en el universo joven. Este proceso podría producir agujeros negros gigantescos contemporáneos a galaxias como JADES-GS-z14-0.
De nuevo, hay problemas. Algunas de las galaxias primitivas que parecen albergar agujeros negros supermasivos no producen rayos X, lo que suele ser un sello distintivo de los agujeros negros. Tal vez esos agujeros negros produzcan rayos X demasiado débiles o demasiado oscurecidos, por lo que no los vemos.
Algunos agujeros negros supermasivos emiten abundantes rayos X. En 2023, las observaciones combinadas del JWST y el telescopio de rayos X Chandra Descubrieron un agujero negro supermasivo En su lugar, se formó apenas 470 millones de años después del Big Bang, en una galaxia denominada UHZ1. ¿Podría haberse formado directamente a partir del colapso de enormes nubes de gas o de la implosión de una estrella gigantesca de primera generación? “Se necesita un crecimiento modesto de semillas iniciales pesadas, frente a un crecimiento acelerado de semillas ligeras”, explicó Priyamvada Natarajan de la Universidad de Yale, quien ayudó a desarrollar la teoría de la “semilla pesada”.
Los modeladores aún están trabajando en posibilidades, pero el agujero negro temprano en UHZ1 es un gran faro, en términos de su energía a lo largo del espectro electromagnético, dijo. Ese comentario provocó el rechazo de José Hennawi de la Universidad de California en Santa Bárbara, quien cuestionó si la producción de energía del objeto realmente representa su masa.
“En mi opinión, muchas de las afirmaciones y posiblemente parte de la confusión provienen del hecho de que no tenemos una idea clara de la potencia bolométrica”, dijo, refiriéndose a la potencia total de salida de un objeto. “No creo que debamos creer en las cifras que la gente está discutiendo”.
Natarajan respondió que las mediciones de la densidad de energía del agujero negro son las mejores que tenemos hasta ahora y que provienen de dos métodos de detección independientes.
"Creo que todavía es temporada de cosecha abierta para los teóricos, pero cada vez hay más pruebas de la presencia de semillas pesadas", añadió.
Pequeños puntos rojos
El JWST ha revelado una nueva clase de objetos cósmicos, conocidos coloquialmente como pequeños puntos rojos, un término familiar y amigable para algo del universo primitivo que nunca hemos visto antes ni después.
Las galaxias de color rojo intenso parecen ser pequeñas galaxias teñidas de rojo que se encendieron unos 600 millones de años después del Big Bang y brillaron durante mil millones de años. No hay rastro de ellas en el universo actual. En realidad son rojas, no sólo desplazadas hacia el rojo, lo que podría sugerir que emiten abundante luz roja o que están llenas de polvo que bloquea las longitudes de onda azules y hace que el objeto parezca rojizo. Los pequeños puntos rojos son diminutos, algunos de ellos unas 100 veces más pequeños que la Vía Láctea actual. Y esto es prácticamente todo lo que los astrónomos saben sobre ellos, dijo Pacucci.
Andrei Kravtsov El profesor de la Universidad de Chicago, John J. Schmidt, afirmó que los pequeños puntos rojos son el mayor descubrimiento del JWST hasta el momento. Como teórico, dijo, no había oído hablar mucho de ellos antes de la reunión. Dijo que le recordaban al descubrimiento de los cuásares en la década de 1950, misteriosos objetos ultraluminosos que resultaron ser agujeros negros supermasivos activos.
“Esto se parece mucho a eso: hay ideas dando vueltas y la gente puede discutir”, dijo. “En unos años, se resolverá. Pero ahora mismo es emocionante estar en este proceso de descubrimiento”.
Mientras Kravtsov y yo charlábamos, nuestros compañeros de mesa empezaron a hablar sobre por qué los pequeños puntos rojos son tan inusuales. Los objetos giran súper rápido, Dale Kocevski Un profesor de la Universidad de Colby me dijo que el gas en las nubes se desplaza a 3,000 kilómetros por hora. El flujo típico de gas es de unos 300 kilómetros por hora. Sólo algo enorme puede acelerar el gas a esas velocidades, por lo que algunas personas sostienen que los LRD contienen agujeros negros supermasivos giratorios.
"Pero hay formas de salir de esto", respondió. erica nelson de la Universidad de Colorado, Boulder. Su presentación describió cómo, si los LRD son bolas de gas realmente compactas y compactas, el gas podría girar a esa velocidad. Ella y Kocevski continuaron explicándome las teorías y sus puntos débiles.
“Ahora podéis ver la hermosa confusión”, dijo Kravtsov.
Uvas cósmicas
Algunos descubrimientos parecían quedarse grabados en la memoria de la gente, y era casi como si se pudieran ver las ideas formándose a medida que la gente incorporaba los hallazgos de sus colegas en sus propias charlas. Una de esas presentaciones provino de Seiji Fujimoto de la Universidad de Texas, Austin, quien mostró un nuevo trabajo que demuestra que las galaxias masivas brillantes podrían contener más de lo que se ve a través del ocular. Él y sus colaboradores estudiaron una galaxia brillante que el JWST había fotografiado tal como se veía 930 millones de años después del Big Bang. Usando lentes gravitacionales, pudo discernir que no es solo un objeto, sino un cúmulo con forma de uva de al menos 15 grupos individuales de formación estelar.
Los astrónomos hablaron sobre los hallazgos de Fujimoto durante los dos días siguientes. Somerville se preguntó si todas las galaxias con un alto corrimiento al rojo están formadas por grupos densos como esas uvas, y por qué las simulaciones por computadora de la formación de galaxias no reproducen esas estructuras. Los grupos densos podrían producir estrellas de manera eficiente y rápida, y brillarían intensamente, por lo que montones de uvas cósmicas podrían explicar mucho sobre cómo surgieron las galaxias, señaló. "Necesitamos pensar más en esto", dijo, en otra frase que llegó a caracterizar la reunión.
Viraj Pandya Los científicos de la Universidad de Columbia demostraron que incluso las galaxias pequeñas y tempranas tienen características extrañas. Son extrañamente alargadas, con estrellas alineadas de tal manera que les dan forma de puro o de pepinillo. Pandya las describió como “galaxias que se vuelven locas”. Esta nueva clase de galaxias en el universo primitivo no tiene equivalente en el universo actual.
Otra forma de decirlo es que todo era extraño durante los primeros mil millones de años del universo. El tamaño, el brillo, la masa y la forma de las galaxias de ese período son extraños. Los agujeros negros son extraños. La eficiencia de la formación de estrellas es extraña; la correlación entre el brillo, la potencia astronómica y la masa de un objeto (esencial para los modelos teóricos) no es la que esperaban los astrofísicos. La presencia de pequeños puntos rojos y cadenas de galaxias alargadas: extraña. ¿No está la gente desconcertada por todas estas rarezas?
Kocevski sonrió cuando le dije cosas como esta. “Nadie se siente desconcertado”, dijo. “Estar inseguro y pensar en lo que viene después es el objetivo de un observatorio innovador como el JWST. “Eso es ciencia”, dijo.
Más por venir
La manguera contra incendios ni siquiera está completamente abierta. El JWST transmite nuevos datos todos los días y la intensa competencia por el tiempo en el telescopio determina qué descubrimientos se producirán primero. Pero eso sin mencionar la próxima generación de telescopios terrestres y nuevos telescopios orbitales.
Varias personas esperaban con ansias poder combinar las mediciones del JWST con las del telescopio espacial Nancy Grace Roman, que, al igual que el JWST, observará la luz infrarroja del universo primitivo para abordar cuestiones cosmológicas. Roman transmitirá un terabyte de datos por día. Euclid, un telescopio europeo que se lanzó el año pasado, determinará los desplazamientos al rojo galácticos, lo que permitirá realizar comparaciones útiles con los hallazgos del JWST. Y la gente estaba entusiasmada con el futuro Observatorio Vera Rubin, cuya primera luz está prevista para abril o mayo de 2025. El Observatorio Rubin fotografiará todo el cielo cada tres días y transformará por completo la astronomía de escala de tiempo corta, mostrando cómo evolucionan las estrellas día a día. Es un momento increíblemente rico para estudiar las estrellas.
A principios del verano, hablé con Julián Muñoz Muñoz, de la Universidad de Texas en Austin, ha propuesto algunas teorías nuevas sobre la formación explosiva de estrellas que podrían explicar las galaxias masivas tempranas. “Hay más preguntas buenas que el tiempo”, dijo Muñoz.
Bajo los auspicios de un programa de investigación dedicado al amanecer cósmico, Muñoz y otros astrónomos pasaron gran parte del verano en el KITP antes y después de que me uniera a ellos en la conferencia de cuatro días. Los académicos visitantes viven en apartamentos proporcionados por el instituto y comparten cenas y paseos nocturnos para hablar de sus ideas. Las montañas de Santa Ynez al noreste, el Pacífico al oeste y el encanto mediterráneo de Santa Bárbara se suman a la experiencia comunitaria. Durante uno de los descansos, me obligué a salir de la sala de conferencias a oscuras para contemplar el entorno.
Caminé hacia la costa de Santa Bárbara, bañada por el sol. Kravtsov, que también pasó todo el verano allí, me había dicho dónde encontrar un hábitat para el chorlito nevado, a veinte minutos a pie por la playa. Caminé por acantilados cubiertos de una planta de hielo invasora, una suculenta cubierta vegetal que se apoderó de los promontorios cuando se introdujo en los años 20. Flores amarillas y rosadas brotaban al azar entre las marañas. “Hermosa confusión”, había dicho Kravtsov. Los pensamientos sobre el tiempo empezaron a abrumarme.
Hace ochenta y tres años, durante la Segunda Guerra Mundial, el Cuerpo de Ingenieros del Ejército de Estados Unidos construyó el cercano aeropuerto de Santa Bárbara utilizando tierras dragadas de la isla Mescalitan, lugar de asentamiento de los indios chumash. Los pueblos indígenas habían vivido allí durante al menos 11,000 años.
Hace unos 340 millones de años, la marea lunar dejaba periódicamente varados a peces con espinas dorsales en una playa como ésta. Con el paso de los milenios, esos peces empezaron a caminar sobre la tierra.
Aproximadamente 4 mil millones de años antes, el material de una estrella que pasaba o de una supernova agitó los restos gaseosos de una estrella que algunos astrónomos llaman Coatlicue, y el gas colapsó, encendiendo nuestro Sol.
Hace casi 9 mil millones de años, la luz de la galaxia ahora llamada JADES-GS-z14-0 brilló. Kevin Hainline fue la primera persona en verla, cuando descargó un lote de datos del JWST en enero de este año. Se levantó de su silla sorprendido.
Nota del editor: Priyamvada Natarajan es miembro de Quanta revistaRachel Somerville trabaja en el Flatiron Institute, que, al igual que ¿Cuánto, está financiado por la Fundación Simons. Afiliación con la Fundación Simons No tiene ninguna influencia en nuestra cobertura.
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- Fuente: https://www.quantamagazine.org/the-beautiful-confusion-of-the-first-billion-years-comes-into-view-20241009/