El telescopio James Webb plantea grandes interrogantes.
Algunas de las primeras galaxias descubiertas con el JWST también son las más brillantes, lo que supone un problema para nuestras ideas sobre el universo.
Por Sandro Tacchella
Ilustración del telescopio espacial James Webb (JWST). (Crédito de la imagen: Dima Zel vía Shutterstock)
El telescopio espacial James Webb (JWST) es el telescopio espacial más grande y potente construido hasta la fecha. Desde su lanzamiento en diciembre de 2021, ha proporcionado información revolucionaria, como el descubrimiento de las galaxias más antiguas y distantes conocidas , que existieron solo 300 millones de años después del Big Bang .
Los objetos distantes también son muy antiguos porque la luz que emiten tarda mucho tiempo en llegar a los telescopios. El JWST ha descubierto varias de estas galaxias primitivas. De hecho, estamos mirando hacia atrás en el tiempo y viéndolos 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 galaxias tempranas brillan mucho más de lo que esperaríamos dado que existieron poco tiempo después del Big Bang.
imágenes asombrosas del telescopio espacial James Webb
Se cree que las galaxias más brillantes tienen más estrellas y más masa. Se pensaba 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 nuestras ideas de cosmología o requieren un cambio en la edad del universo?
Los científicos han podido estudiar estas galaxias primitivas combinando las imágenes detalladas del JWST con sus potentes capacidades de espectroscopia. La espectroscopia es un método para interpretar la radiación electromagnética que emiten o absorben los objetos en el espacio. Esto, a su vez, puede brindar información sobre las propiedades de un objeto.
Nuestra comprensión de la cosmología y de 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 isótropo (igual en todas las direcciones). Combinado con la teoría de la relatividad general de Einstein , este principio nos permite relacionar la evolución del universo (cómo se expande o se contrae) con su contenido de energía y masa.
El modelo cosmológico estándar, conocido como la teoría del "Big Bang caliente", incluye tres componentes o ingredientes principales. Uno 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 de movimiento lento que no emiten, absorben ni reflejan luz.
El tercer componente es lo que se conoce como la constante cosmológica (Λ o lambda). Está vinculada a 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 denomina el modelo cosmológico ΛCDM.
JADES-GS-z14-0 es actualmente la galaxia más distante conocida. Esta imagen la capta en un momento de menos de 300 millones de años después del Big Bang.(Crédito de la imagen: NASA, ESA, CSA, STScI, Brant Robertson (UC Santa Cruz), Ben Johnson (CfA), Sandro Tacchella (Cambridge), Phill Cargile (CfA) y la colaboración JADES).
La energía oscura constituye aproximadamente el 68% del contenido energético total del universo actual.
A pesar de no ser directamente observable con instrumentos científicos, se cree que la materia oscura constituye la mayor parte de la materia del cosmos y comprende aproximadamente el 27% de la masa total y el contenido energético del universo.
Aunque la materia oscura y la energía oscura siguen siendo un misterio, el modelo cosmológico ΛCDM está respaldado por una amplia gama de observaciones detalladas, entre las que se 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 comprender 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 se produjeron en el universo primitivo. Estas fluctuaciones, en particular en la materia oscura, acabaron dando lugar a las estructuras que observamos hoy, como las galaxias y las estrellas.
A diferencia de las galaxias distantes observadas por el JWST, Andrómeda (en la foto) es una vecina cercana de la Vía Láctea.(Crédito de la imagen: NASA/JPL-Caltech)
Cómo se forman las estrellas
La formación de galaxias consiste en procesos complejos en los que influyen numerosos fenómenos físicos diferentes. Algunos de estos mecanismos no se comprenden del todo, como por ejemplo qué procesos rigen el enfriamiento y la condensación del gas en las galaxias 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 lo tanto, influir en el crecimiento de las galaxias.
La eficiencia y la escala de estos "procesos de retroalimentación", así como su impacto acumulativo a lo largo del tiempo, son poco conocidos y constituyen una fuente importante de incertidumbre en los modelos matemáticos o simulaciones de la formación de galaxias.
En los últimos diez años se han logrado avances significativos en las simulaciones numéricas complejas de la formación de galaxias. Aún se pueden obtener ideas y pistas a partir de simulaciones y modelos más simples que relacionan la formación de estrellas con la evolución de halos de materia oscura. Estos halos son estructuras masivas e invisibles hechas de materia oscura que anclan eficazmente a las galaxias en su interior.
Los núcleos galácticos activos se encuentran entre los fenómenos que pueden haber influido en la formación de estrellas en las galaxias.(Crédito de la imagen: NASA/Laboratorio de imágenes conceptuales del Centro de vuelo espacial Goddard).
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 flujo de gas hacia ellas. Este modelo también propone que la tasa de formación de estrellas en una galaxia es proporcional a la velocidad a la que crecen los halos de materia oscura. Supone una eficiencia fija en la conversión de gas en estrellas, independientemente del tiempo cósmico.
Este modelo de "eficiencia constante de formación de estrellas" es coherente con el hecho de que la formación de estrellas aumentó drásticamente en los primeros mil millones de años posteriores al 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 de estrellas a lo largo del tiempo cósmico.
Secretos de las primeras galaxias
El JWST ha inaugurado una nueva era de descubrimientos. Gracias a sus instrumentos avanzados, el telescopio espacial puede captar tanto imágenes detalladas como espectros de alta resolución (gráficos que muestran la intensidad de la radiación electromagnética emitida o absorbida por los objetos del cielo). Para el JWST, estos espectros se encuentran en la región del infrarrojo cercano del espectro electromagnético. El estudio de esta región es crucial para observar las 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.
En los últimos dos años, el JWST ha identificado y caracterizado galaxias con valores de desplazamiento al rojo de entre 10 y 15. Estas galaxias , que se formaron entre 200 y 500 millones de años después del Big Bang, son relativamente pequeñas para ser galaxias (unos 100 parsecs, o 3 cuatrillones de kilómetros, de diámetro). Cada una de ellas está formada por unos 100 millones de estrellas y forman nuevas estrellas a un ritmo de aproximadamente una estrella similar al Sol por año.
Aunque esto no parezca muy impresionante, implica que estos sistemas duplican su contenido de estrellas en tan solo 100 millones de años. A modo de comparación, nuestra propia galaxia, la Vía Láctea, tarda unos 25.000 millones de años en duplicar su masa estelar.
Una imagen de campo profundo obtenida con el JWST. Se trata de observaciones de larga duración de una región particular del cielo destinadas a revelar objetos débiles.(Crédito de la imagen: NASA, ESA, CSA, STScI, Brant Robertson (UC Santa Cruz), Ben Johnson (CfA), Sandro Tacchella (Cambridge), Phill Cargile (CfA) y la colaboración JADES)
Formación temprana de galaxias
Los sorprendentes hallazgos del JWST de 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 constante de formación de estrellas 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 este problema, los científicos están explorando diversas posibilidades, entre ellas, cambios en sus teorías sobre la eficiencia con la que el gas se convierte en estrellas a lo largo del 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 temprano puede haber sido más intensa o "explosiva" de lo que se creía anteriormente, lo que llevó al rápido crecimiento de estas primeras galaxias y su brillo aparente.
Otros proponen que diferentes factores, como menores cantidades de polvo galáctico, una distribución más pesada de las masas de las estrellas 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 la formación de galaxias para explicar los hallazgos del JWST. Pero los científicos también han estado considerando modificaciones a las teorías cosmológicas generales. Por ejemplo, la abundancia de galaxias tempranas y brillantes podría explicarse en parte por un cambio en algo llamado espectro de potencia 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" . Se trata de la idea de que una nueva fuente de energía cosmológica con similitudes con la energía oscura pudo haber existido en épocas tempranas, con un desplazamiento 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 se habría desintegrado rápidamente después de la etapa de la 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 el brillo de las galaxias. Antes de que las observaciones del JWST se utilicen para provocar cambios en las ideas generales de la cosmología, es esencial una comprensión más detallada de los procesos físicos en las galaxias.
La galaxia más distante que posee el récord actual, identificada por el JWST, se llama JADES-GS-z14-0 . Los datos recopilados hasta ahora indican que estas galaxias tienen una gran diversidad de propiedades diferentes. Visualización 3D de galaxias observadas por el JWST, incluida JADES-GS-z14-0.
Algunas galaxias muestran signos de albergar agujeros negros que emiten energía, mientras que otras parecen albergar poblaciones de estrellas jóvenes y sin polvo. Como estas galaxias son débiles y su observación es costosa (requiere tiempos de exposición de muchas horas), hasta la fecha solo se han observado con espectroscopia 20 galaxias en las que el corrimiento al rojo es superior a diez, y se necesitarán años para construir una muestra estadística.
Un ángulo de ataque diferente podría ser la observación de galaxias en épocas cósmicas posteriores, cuando el universo tenía entre 1.000 y 2.000 millones de años (desplazamientos al rojo de entre tres y nueve). Las capacidades del JWST brindan a los investigadores acceso a indicadores cruciales de las estrellas y el gas en estos objetos que pueden usarse para delimitar la historia general de la formación de las galaxias.
¿Rompiendo el universo?
En el primer año de funcionamiento del JWST, se afirmó que algunas de las primeras galaxias tenían masas estelares (las masas de las estrellas que contenían) extremadamente altas y que era necesario un cambio en la cosmología para dar cabida a las galaxias brillantes que existían en el universo primitivo. Incluso se las denominó galaxias "rompedoras del universo" .
Poco después, quedó claro que estas galaxias no rompen el universo, sino que sus propiedades pueden explicarse por una serie de fenómenos diferentes. Datos de observación más precisos 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 alimentada por fuentes distintas a las estrellas, como por ejemplo agujeros negros en proceso de acreción. Las suposiciones en los modelos o simulaciones también pueden generar sesgos en la masa total de estrellas en estas galaxias.
A medida que el JWST continúa con su misión, ayudará a los científicos a refinar 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.
Este artículo editado se publica nuevamente en The Conversation bajo una licencia Creative Commons. Lea el artículo original .
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Profesor adjunto de Astrofísica, Instituto Kavli de Cosmología, Cambridge, Departamento de Física, Universidad de Cambridge
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Sandro Tacchella es un astrofísico que trabaja en el Departamento de Física (Laboratorio Cavendish) y en el Instituto Kavli de Cosmología de la Universidad de Cambridge. Antes de incorporarse a la Universidad de Cambridge en 2022, fue profesor adjunto en el Departamento de Física de la UNIST en Ulsan, Corea. De 2017 a 2021, fue becario CfA en el Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica en Cambridge, EE. UU. Recibió su doctorado en la ETH de Zúrich (Suiza) en 2017.
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