Unos pequeños objetos brillantes en los albores del universo desconciertan a los astrónomos
Objetos luminosos —y muy rojos— detectados en el universo temprano trastocan el pensamiento convencional sobre los orígenes y la evolución de las galaxias y los agujeros negros supermasivos que esconden en su corazón.
Por Adrienne Berard
Los científicos han investigado tres objetos misteriosos en el universo primitivo. Aquí se muestran sus imágenes en color, compuestas a partir de la NIRCam a bordo del telescopio espacial James Webb. Son notablemente compactos en longitudes de onda rojas —lo que les valió el término pequeños puntos rojos—, con alguna evidencia de estructura espacial en longitudes de onda azules. Crédito: Bingjie Wang / Universidad Estatal de Pensilvania
Un descubrimiento reciente del telescopio espacial James Webb de la NASA ha confirmado que los objetos luminosos y e intensamente rojos detectados con anterioridad en el universo temprano alteran la idea que tenemos sobre los orígenes y la evolución de las galaxias y sus agujeros negros supermasivos.
Un equipo internacional, dirigido por investigadores de la Universidad Estatal de Pensilvania (Penn State), en Estados Unidos, ha identificado tres objetos misteriosos en el cosmos primigenio, entre 600 y 800 millones de años después del big bang, cuando el universo tenía solo el 5% de su edad actual, según anuncian los autores del trabajo en el Astrophysical Journal Letters.
Para darles caza, los investigadores han usado el instrumento NIRSpec, o sea, el espectrógrafo de infrarrojo cercano del James Webb cuya misión consiste en descomponer la luz infrarroja recogida por el telescopio en las longitudes de onda que la constituyen para formar un espectro. Al medir la variación del brillo en diferentes longitudes de onda de un objeto en el espacio, los astrónomos pueden extraer información muy valiosa acerca de sus características físicas y su composición química, algo imposible en galaxias muy distantes antes de que el James Webb y el NIRSpec existieran, según fuentes de la ESA.
Señales procedentes de enormes agujeros negros supermasivos, hasta mil veces más masivos que Sagitario A*
El equipo estudió las mediciones espectrales, o sea, la intensidad de las distintas longitudes de onda de la luz emitida por los objetos. El análisis permitió la detección de señales procedentes de estrellas viejas, de cientos de millones de años, mucho más antiguas de lo que cabría esperar en un universo joven.
Los investigadores también se sorprendieron al descubrir señales de enormes agujeros negros supermasivos en los mismos objetos, entre cien y mil veces más masivos que el agujero negro supermasivo de la Vía Láctea, el conocido como Sagitario A*. Los modelos actuales de crecimiento de galaxias y formación de agujeros negros supermasivos no prevén ninguno de estos fenómenos, ya que las galaxias y sus agujeros negros crecen juntos a lo largo de miles de millones de años de historia cósmica.
"Hemos confirmado que estos parecen estar llenos de estrellas antiguas, de cientos de millones de años, en un universo que tiene solo de 600 a 800 millones de años —dice Bingjie Wang, investigador postdoctoral en la Penn State y autor principal del artículo. Y añade—: Sorprendentemente, estos objetos tienen el récord de las primeras firmas de luz estelar antigua. Fue totalmente inesperado encontrar estrellas viejas en un universo muy joven. Los modelos estándar de cosmología y formación de galaxias han sido increíblemente exitosos, sin embargo, estos objetos luminosos no encajan cómodamente en esas teorías".
Los investigadores detectaron por primera vez los objetos masivos en julio de 2022, cuando se publicó el conjunto de datos inicial del James Webb. El equipo publicó un artículo en la revista Nature varios meses después anunciando la existencia de los objetos (ver foto bajo estas líneas)
Imágenes de seis galaxias masivas candidatas, vistas entre 500 y 700 millones de años después del bigbang. Una de las fuentes (abajo a la izquierda) podría contener tantas estrellas como nuestra actual Vía Láctea, según los investigadores, pero es treinta veces más compacta. Crédito: NASA, ESA, CSA, I. Labbe (Swinburne University of Technology). Image processing: G. Brammer (Niels Bohr Institute’s Cosmic Dawn Center at the University of Copenhagen). All Rights Reserved.
En aquel momento, los investigadores sospechaban de que se trataba de galaxias, pero prosiguieron su análisis tomando espectros para comprender mejor las distancias reales de dichos objetos, así como las fuentes que alimentaban su inmensa luz.
Los investigadores utilizaron los nuevos datos para hacerse una idea más clara del aspecto de las galaxias y de lo que había en su interior. El equipo no solo confirmó que los objetos eran galaxias cercanas al principio de los tiempos, sino que también halló indicios de agujeros negros supermasivos sorprendentemente grandes y de una población estelar increiblemente antigua.
"Es muy confuso —afirma Joel Leja, profesor de Astronomía y Astrofísica en la Penn State y coautor de ambos artículos. Y añade—: Se puede hacer que esto encaje incómodamente en nuestro modelo actual del universo, pero solo si evocamos alguna formación exótica, locamente rápida, al principio de los tiempos. Este es, sin duda, el conjunto de objetos más peculiar e interesante que he visto en mi carrera."
El James Webb epermite a los científicos retroceder en el tiempo unos 13.500 millones de años
El James Webb está equipado con instrumentos infrarrojos capaces de detectar la luz emitida por las estrellas y galaxias más antiguas. Básicamente, el telescopio permite a los científicos retroceder en el tiempo unos 13.500 millones de años, cerca del comienzo del universo tal y como lo conocemos, según Leja.
Uno de los retos del análisis de la luz antigua es que puede resultar difícil diferenciar entre los tipos de objetos que podrían haberla emitido. En el caso de estos primeros objetos, tienen características claras tanto de agujeros negros supermasivos como de estrellas viejas.
Sin embargo, Wang explica que aún no está claro qué proporción de la luz observada procede de cada uno de ellos, lo que significa que podría tratarse de galaxias primitivas inesperadamente antiguas y más masivas incluso que nuestra Vía Láctea, que o bien se formaron mucho antes de lo que predicen los modelos, o bien podrían ser galaxias de masa más normal con agujeros negros sobremasivos, entre cien y mil veces más masivos de lo que tendría una galaxia de este tipo en la actualidad.
Unos objetos rodeados de misterio
"Distinguir entre la luz del material que cae en un agujero negro y la luz emitida por las estrellas en estos objetos diminutos y distantes es todo un reto —confiesa Wang. Y continúa—: Esa incapacidad para distinguir la diferencia en el conjunto de datos actual deja un amplio margen para la interpretación de estos intrigantes objetos. Sinceramente, resulta emocionante que quede tanto de este misterio por descifrar".
Aparte de su inexplicable masa y edad, si parte de la luz proviene de agujeros negros supermasivos, entonces tampoco son agujeros negros supermasivos normales. Producen muchos más fotones ultravioleta de lo esperado, y objetos similares estudiados con otros instrumentos carecen de las firmas características de los agujeros negros supermasivos, como el polvo caliente y la emisión de rayos X brillantes. Pero tal vez lo más sorprendente, dijeron los investigadores, es lo masivos que parecen ser.
"Normalmente, los agujeros negros supermasivos están emparejados con galaxias —explica Leja. Y añade—: Crecen juntos y pasan por todas sus principales experiencias de vida ligados. Pero aquí, tenemos un agujero negro adulto completamente formado que vive dentro de lo que debería ser una galaxia bebé. Eso realmente no tiene sentido, porque estas cosas deberían crecer juntas, o al menos eso es lo que pensábamos".
Superconcentración de estrellas en una galaxia mil veces más pequeña que la Vía Láctea
Los investigadores también se quedaron perplejos debido a los tamaños increíblemente pequeños de estos sistemas, de solo unos pocos cientos de años luz de diámetro, aproximadamente mil veces más diminutos que la Vía Láctea. Las estrellas son aproximadamente tan numerosas como en nuestra galaxia, con entre 10.000 millones y un billón de estrellas, pero contenidas dentro de un volumen un millar de veces menor que la Vía Láctea.
Leja explicó que si se tomara la Vía Láctea y se comprimiera al tamaño de las galaxias que encontraron, la estrella más cercana estaría casi en nuestro sistema solar. El agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea, a unos 26.000 años luz de distancia, estaría a solo unos 26 años luz de distancia de la Tierra y sería visible en el cielo como un pilar gigante de luz. ¿Sería algo así?:
Imagen generada por Copilot
"Estas galaxias primitivas serían muy densas de estrellas, estrellas que deben haberse formado de una manera que nunca hemos visto, en condiciones que nunca esperaríamos durante un período en el que nunca esperaríamos verlas —explica Leja. Y añade—: Y por alguna razón, el universo dejó de fabricar objetos como estos después de solo un par de miles de millones de años. Son objetos exclusivos del universo primitivo".
Los investigadores esperan hacer un seguimiento del fenómeno con más observaciones, que dijeron que podrían ayudar a explicar algunos de los misterios de los objetos recientemente detectados. Planean tomar espectros más profundos apuntando el James Webb a los ellos durante períodos prolongados de tiempo, lo que ayudará a desentrañar la emisión de las estrellas y el hipotético agujero negro supermasivo, al identificar las firmas de absorción específicas que estarían presentes en cada uno.
"Hay otra forma en la que podríamos tener un gran avance, y esa es la idea correcta —dice Leja. Y concluye—: Tenemos todas estas piezas del rompecabezas y solo encajan si ignoramos el hecho de que algunas de ellas se están rompiendo. Este problema es susceptible de un golpe de genio que hasta ahora nos ha eludido a nosotros, a todos nuestros colaboradores y a toda la comunidad científica". ▪️
Información facilitada por la Penn State -Adaptación: Enrique Coperías / RexMolón Producciones
Fuente: Bingjie Wang et al. RUBIES: Evolved Stellar Populations with Extended Formation Histories at z ∼ 7–8 in Candidate Massive Galaxies Identified with JWST/NIRSpec. The Astrophysical Journal Letters (2024). DOI: 10.3847/2041-8213/ad55f7
