El Telescopio espacial James Webb (JWST) es el más grande y potente construido hasta la fecha. Desde su lanzamiento en diciembre de 2021, ha proporcionado datos fundamentales para los científicos. Entre ellos, descubrir las galaxias más antiguas y distantes jamás conocidas, que existieron apenas 300 millones de años después del Big Bang.
Los objetos distantes también son muy antiguos porque la luz de estos objetos tarda mucho en llegar a los telescopios. El JWST ha encontrado varias de estas galaxias muy tempranas. En realidad, estamos mirando hacia atrás en el tiempo, viendo estos objetos tal como eran poco después del nacimiento del universo.
Estas observaciones del JWST concuerdan con nuestra comprensión actual de la cosmología (la disciplina científica que pretende explicar el universo) y de la formación de galaxias. Pero también revelan aspectos que no esperábamos. Muchas de estas primeras galaxias brillan mucho más de lo que esperaríamos dado que existieron poco tiempo después del Big Bang.
Se cree que las galaxias más brillantes tienen más estrellas y más masa. Y que se necesitaba mucho más tiempo para que se produjera este nivel de formación estelar. Estas galaxias también tienen agujeros negros en crecimiento activo en sus centros, una señal de que estos objetos maduraron rápidamente después del Big Bang. Entonces, ¿cómo podemos explicar estos sorprendentes hallazgos? ¿Rompen con nuestra idea actual de la cosmología o requieren que nos replanteemos la edad del universo?
Los científicos han podido estudiar estas primeras galaxias combinando las imágenes detalladas de JWST con sus poderosas capacidades de espectroscopia. La espectroscopia es un método para interpretar la radiación electromagnética que emiten o absorben los objetos en el espacio, lo que puede dar información sobre las propiedades de un objeto.
Nuestra comprensión de la cosmología y la formación de galaxias se basa en algunas ideas fundamentales. Una de ellas es el principio cosmológico, que establece que, a gran escala, el universo es homogéneo (igual en todas partes) e isotrópico (igual en todas direcciones). Combinado con la teoría de la relatividad general de Einstein, este principio nos permite conectar la evolución del universo (cómo se expande o contrae) con su contenido de energía y masa.
El modelo cosmológico estándar, conocido como teoría del Big Bang caliente, incluye tres componentes o ingredientes principales. Una es la materia ordinaria que podemos ver con nuestros ojos en galaxias, estrellas y planetas. Un segundo ingrediente es la materia oscura fría (CDM), partículas de materia que se mueven lentamente y que no emiten, absorben ni reflejan luz.
El tercer componente es lo que se conoce como constante cosmológica (Λ o lambda). Esto está relacionado con algo llamado energía oscura y es una forma de explicar el hecho de que la expansión del universo se está acelerando. Juntos, estos componentes forman lo que se llama Modelo CDM de cosmología.
La energía oscura representa alrededor del 68% del contenido energético total del universo actual.
A pesar de no ser observable directamente con instrumentos científicos, se cree que la materia oscura constituye la mayor parte de la materia del cosmos y comprende alrededor del 27% de la masa total y el contenido de energía del universo.
Si bien la materia y la energía oscuras siguen siendo un misterio, el modelo cosmológico ΛCDM está respaldado por una amplia gama de observaciones detalladas. Estos incluyen la medición de la expansión del universo, el fondo cósmico de microondas o CMB (el resplandor del Big Bang) y el desarrollo de las galaxias y su distribución a gran escala (por ejemplo, la forma en que se agrupan las galaxias).
El modelo ΛCDM sienta las bases para nuestra comprensión de cómo se forman y evolucionan las galaxias. Por ejemplo, el CMB, que se emitió unos 380.000 años después del Big Bang, proporciona una instantánea de las primeras fluctuaciones de densidad que ocurrieron en el universo primitivo. Estas fluctuaciones, particularmente en la materia oscura, eventualmente se convirtieron en las estructuras que observamos hoy, como galaxias y estrellas.
Cómo se forman las estrellas
La formación de galaxias consiste en procesos complejos influenciados por numerosos fenómenos físicos diferentes. Algunos de estos mecanismos no se comprenden completamente, como qué procesos gobiernan la manera en la que el gas en las galaxias se enfría y se condensa para formar estrellas.
Los efectos de las supernovas, los vientos estelares y los agujeros negros que emiten cantidades significativas de energía (a veces llamados núcleos galácticos activos, o AGN), pueden calentar o expulsar gas de las galaxias. Esto, a su vez, puede impulsar o reducir la formación de estrellas y, por tanto, influir en el crecimiento de las galaxias.
No se comprenden bien la eficiencia y la escala de estos procesos de retroalimentación, así como su impacto acumulativo a lo largo del tiempo. Son una fuente importante de incertidumbre en los modelos matemáticos o simulaciones de formación de galaxias.
En los últimos diez años se han logrado avances significativos en simulaciones numéricas complejas de la formación de galaxias. Aún se pueden obtener ideas y sugerencias a partir de simulaciones y modelos más simples que relacionan la formación estelar con la evolución de los halos de materia oscura. Estos halos son estructuras masivas e invisibles hechas de materia oscura que efectivamente anclan galaxias en su interior.
Uno de los modelos más simples de formación de galaxias supone que la velocidad a la que se forman las estrellas en una galaxia está directamente relacionada con el gas que fluye hacia esas galaxias. Este modelo también propone que la tasa de formación de estrellas en una galaxia es proporcional a la tasa a la que crecen los halos de materia oscura. Asume una eficiencia fija en la conversión de gas en estrellas, independientemente del tiempo cósmico.
Este modelo de eficiencia constante de formación de estrellas es consistente con el aumento dramático de la formación de estrellas en los primeros mil millones de años después del Big Bang. El rápido crecimiento de los halos de materia oscura durante este período habría proporcionado las condiciones necesarias para que las galaxias formaran estrellas de manera eficiente. A pesar de su simplicidad, este modelo ha predicho con éxito una amplia gama de observaciones reales, incluida la tasa general de formación estelar a lo largo del tiempo cósmico.
Secretos de las primeras galaxias
JWST ha marcado el comienzo de una nueva era de descubrimientos. Con sus instrumentos avanzados, el telescopio espacial puede capturar tanto imágenes detalladas como espectros de alta resolución, unos gráficos que muestran la intensidad de la radiación electromagnética emitida o absorbida por los objetos en el cielo. Para JWST, estos espectros se encuentran en la región del infrarrojo cercano del espectro electromagnético. Estudiar esta región es crucial para observar galaxias primitivas cuya luz óptica se ha convertido en infrarroja cercana (o «desplazada al rojo») a medida que el universo se ha expandido.
El corrimiento al rojo describe cómo las longitudes de onda de la luz de las galaxias se estiran a medida que viajan. Cuanto más distante está una galaxia, mayor es su corrimiento al rojo.
Durante los últimos dos años, JWST ha identificado y caracterizado galaxias con corrimientos al rojo con valores de entre diez y 15. Estas galaxias, que se formaron entre 200 y 500 millones de años después del Big Bang, son relativamente pequeñas (alrededor de 100 pársecs o 3 cuatrillones de kilómetros de diámetro). Cada uno de ellos está formado por alrededor de 100 millones de estrellas y forman nuevas estrellas a un ritmo de aproximadamente una estrella similar al Sol por año.
Si bien esto no suena muy impresionante, implica que estos sistemas duplicarán su contenido de estrellas en solo 100 millones de años. A modo de comparación, nuestra propia galaxia, la Vía Láctea, tarda unos 25 mil millones de años en duplicar su masa estelar.
Formación temprana de galaxias
Los sorprendentes hallazgos del JWST sobre galaxias brillantes con altos corrimientos al rojo, o distancias, podrían implicar que estas galaxias maduraron más rápido de lo esperado después del Big Bang. Esto es importante porque desafiaría los modelos existentes de formación de galaxias. El modelo de eficiencia de formación estelar constante descrito anteriormente, si bien es eficaz para explicar gran parte de lo que vemos, tiene dificultades para explicar la gran cantidad de galaxias brillantes y distantes observadas con un corrimiento al rojo de más de diez.
Para abordar esto, los científicos están explorando varias posibilidades. Estos incluyen cambios en sus teorías sobre la eficiencia con la que el gas se convierte en estrellas con el tiempo. También están reconsiderando la importancia relativa de los procesos de retroalimentación: cómo fenómenos como las supernovas y los agujeros negros también ayudan a regular la formación de estrellas.
Algunas teorías sugieren que la formación de estrellas en el universo primitivo puede haber sido más intensa o «explosiva» de lo que se pensaba anteriormente, lo que llevó al rápido crecimiento de estas galaxias primitivas y su brillo aparente.
Otros proponen que diferentes factores, como menores cantidades de polvo galáctico, una distribución de masas estelares muy densa en la parte superior o contribuciones de fenómenos como los agujeros negros activos, podrían ser responsables del brillo inesperado de estas galaxias tempranas.
Estas explicaciones invocan cambios en la física de formación de galaxias para explicar los hallazgos del JWST. Pero los científicos también han estado considerando modificaciones a teorías cosmológicas amplias. Por ejemplo, la abundancia de galaxias primitivas y brillantes podría explicarse en parte por un cambio en algo llamado espectro de energía de la materia. Esta es una forma de describir las diferencias de densidad en el universo.
Un posible mecanismo para lograr este cambio en el espectro de potencia de la materia es un fenómeno teórico llamado energía oscura temprana. Esta es la idea de que una nueva fuente de energía cosmológica con similitudes con la energía oscura pudo haber existido en tiempos remotos, con un corrimiento al rojo de 3.000. Esto es antes de que se emitiera el CMB y solo 380.000 años después del Big Bang.
Esta energía oscura temprana habría decaído rápidamente después de la etapa de evolución del universo conocida como recombinación. Curiosamente, la energía oscura temprana también podría aliviar la tensión de Hubble, una discrepancia entre diferentes estimaciones de la edad del universo.
Un artículo publicado en 2023 sugirió que los hallazgos de galaxias del JWST requerían que los científicos ampliaran la edad del universo en varios miles de millones de años.
Sin embargo, otros fenómenos podrían explicar las galaxias brillantes. Antes de que las observaciones del JWST se utilicen para invocar cambios en ideas generales de cosmología, es esencial una comprensión más detallada de los procesos físicos en las galaxias.
El actual poseedor del récord de la galaxia más distante, identificada por JWST, se llama JADES-GS-z14-0. Los datos recopilados hasta ahora indican que estas galaxias tienen una gran diversidad de propiedades diferentes.
Algunas galaxias muestran signos de albergar agujeros negros que emiten energía, mientras que otras parecen albergar poblaciones de estrellas jóvenes y libres de polvo. Debido a que estas galaxias son débiles y observarlas es costosa (requiere tiempos de exposición de muchas horas), hasta la fecha solo se han observado con espectroscopía 20 galaxias cuyo corrimiento al rojo es superior a diez, y se necesitarán años para construir una muestra estadística.
Un ángulo de ataque diferente podrían ser las observaciones de galaxias en épocas cósmicas posteriores, cuando el universo tenía entre mil y dos mil millones de años (corrimientos al rojo de entre tres y nueve). Las capacidades de JWST brindan a los investigadores acceso a indicadores cruciales de estrellas y gas en estos objetos que pueden usarse para limitar la historia general de la formación de galaxias.
¿Romper el universo?
En el primer año de funcionamiento del JWST, se afirmó que algunas de las primeras galaxias tenían masas estelares extremadamente altas (las masas de estrellas contenidas en ellas) y que era necesario un cambio en la cosmología para dar cabida a las galaxias brillantes que existían en el universo primitivo. Incluso fueron apodadas galaxias rompeuniversos.
Poco después quedó claro que estas galaxias no rompen el universo, pero sus propiedades pueden explicarse por una variedad de fenómenos diferentes. Mejores datos de observación mostraron que las distancias a algunos de los objetos estaban sobreestimadas (lo que llevó a una sobreestimación de sus masas estelares).
La emisión de luz de estas galaxias puede ser impulsada por fuentes distintas a las estrellas, como los agujeros negros en acreción. Las suposiciones en modelos o simulaciones también pueden dar lugar a sesgos en la masa total de estrellas en estas galaxias.
A medida que JWST continúe con su misión, ayudará a los científicos a perfeccionar sus modelos y responder algunas de las preguntas más fundamentales sobre nuestros orígenes cósmicos. Debería revelar aún más secretos sobre los primeros días del universo, incluido el enigma de estas galaxias brillantes y distantes.
Por Sandro Tacchella, profesor adjunto de astrofísica en el Instituto Kavli de Cosmología de la Universidad de Cambridge.
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