Charlotte Mason, astrofísica de la Universidad de Copenhague, tenía expectativas modestas hace 9 meses, cuando ella y sus colaboradores comenzaron a usar JWST, el nuevo telescopio espacial gigante, para mirar hacia atrás en el tiempo en busca de las primeras galaxias del universo. El modelado sugirió que la porción de cielo que estaban examinando contendría solo 0,2 galaxias; en otras palabras, ninguna, a menos que tuvieran suerte. Sin embargo, de las imágenes aparecieron no una, sino dos galaxias brillantes. “Esa fue la mayor sorpresa para mí”, dice ella.
Las sorpresas han seguido llegando. Astrónomos del JWST han encontrado más de 15 galaxias brillando en los primeros 500 millones de años del universo de 13.700 millones de años, demasiados según los modelos teóricos de formación de galaxias. Las estimaciones iniciales de la edad y la distancia de las galaxias provienen de su brillo en longitudes de onda particulares, pero los astrónomos ahora están aplicando el método estándar de oro: analizando los espectros de las galaxias en detalle para ver cuánto se ha estirado su luz por la expansión del universo. Los espectros han confirmado nueve de las primeras galaxias, incluyendo dos agregados a la lista esta semana siguiendo las observaciones del JWST del 24 de marzo. “Este es el período más emocionante de mi vida reciente”, dijo Casey Papovich de la Universidad Texas A&M, College Station, a los astrónomos la semana pasada en una reunión en el Instituto Kavli de Cosmología en Cambridge, Inglaterra.
Los descubrimientos están dejando a los teóricos rascándose la cabeza. La teoría estándar de la cosmología, la materia oscura fría lambda (LCDM), dice que las nubes de materia oscura, el material misterioso que constituye el 85% de la masa del universo, comenzaron a agruparse en halos poco después del Big Bang. La fuerte gravedad de los halos absorbió gas, que colapsó para formar estrellas. LCDM no puede dar cuenta del exceso de galaxias que están viendo los astrónomos, pero pocos astrónomos están listos para romperlo. “Consigamos una población más grande”, dice Alice Shapley de la Universidad de California, Los Ángeles. «Entonces será el momento de mirar las teorías».
En cambio, los cosmólogos se preguntan si el exceso de galaxias en el universo recién nacido es más aparente que real. Podría ser que las encuestas hasta ahora, por casualidad, se hayan acercado a áreas densas con galaxias. El exceso aparente también podría surgir si las galaxias son simplemente demasiado brillantes y están llenas de estrellas, por lo que más de ellas sobresalen por encima del umbral que JWST puede ver. Pero eso crea un nuevo problema teórico: ¿Por qué son tan brillantes y están tan llenos de estrellas? “Todavía no hay una explicación convincente”, dice Richard Ellis del University College London.
En las galaxias jóvenes más cercanas a la Tierra, la retroalimentación limita la tasa de formación de estrellas. Los teóricos creen que las estrellas bebés emiten vientos estelares: corrientes de partículas que retardan el proceso expulsando gas de la galaxia. Al efecto se suman las supernovas, que ocurren cuando las estrellas de combustión rápida se quedan sin combustible, colapsan y desencadenan explosiones que expulsan gas y rodean la galaxia con polvo, dispersando su luz y dándole un tono rojizo. La gravedad de la galaxia atrae parte del gas, pero la eficiencia de formación de estrellas, una medida de las estrellas formadas por unidad de gas, generalmente se mantiene por debajo del 10%.
Avishai Dekel, de la Universidad Hebrea de Jerusalén, argumenta que la formación de estrellas debe haber sido más eficiente en el universo primitivo, que era físicamente mucho más pequeño. El gas a partir del cual se forman las estrellas habría sido 1000 veces más denso de lo que es después de miles de millones de años de expansión, lo que facilitaría la formación de estrellas. Además, ese gas primordial aún no estaba enriquecido con los elementos más pesados y el polvo forjado por las supernovas. Como resultado, los vientos estelares de estas primeras estrellas habrían sido menos intensos que los actuales y un freno más débil para la formación estelar. Durante aproximadamente 1 millón de años, dice Dekel, estas galaxias podrían producir estrellas con una eficiencia de formación de casi el 100%. “Todas las galaxias en esta época deberían tener un estallido estelar sin retroalimentación si son lo suficientemente masivas”. Lo que es más, la falta de polvo habría permitido que las estrellas brillaran más que las estrellas comparables en la actualidad, y en las longitudes de onda más azules vistas por JWST.
Andrea Ferrara de la Scuola Normale Superiore en Pisa, Italia, toma un rumbo diferente. Él dice que las galaxias densas del universo primitivo aumentarían la formación de estrellas en ciclos que se repiten cada 100 millones de años. Durante las fases de formación estelar, la presión de radiación de las estrellas expulsaría polvo, haciendo que las galaxias parecieran brillantes y azules.
Ferrara encuentra alguna evidencia para respaldar el modelo: el espectro JWST de una galaxia distante, GNz-11, tenía una línea espectral, para el gas de hidrógeno, desplazada fuera de lugar como si el gas se moviera a 300 kilómetros por segundo. “Vemos signos claros de material que sale”, con la presión de la radiación barriendo tanto el hidrógeno como el polvo, dice. JWST también ha observado una galaxia sin signos de formación estelar 700 millones de años después del Big Bang, que Ferrara sugiere que podría estar en una fase tranquila entre los estallidos de formación estelar.
Otra posible explicación para el sorprendente brillo de las galaxias es que no fue impulsado por estrellas, sino por enormes agujeros negros en sus corazones. Los discos calientes de polvo y gas que se arremolinan por los desagües gravitacionales de los monstruosos agujeros negros son los que impulsan los cuásares, algunos de los objetos más brillantes del universo. Pero los astrónomos no han visto cuásares antes de unos 650 millones de años después del Big Bang, y luchan por explicar cómo sus agujeros negros podrían haber crecido lo suficiente como para brillar mucho antes. No obstante, en la conferencia de Kavli, Papovich mostró el espectro JWST de una galaxia de cuando el universo tenía 550 millones de años.
años. Mostró un indicio de luz que se estiraba y comprimía, un signo revelador de gases arremolinados alrededor de un agujero negro. Ellis todavía no está convencido de que los agujeros negros gigantes puedan formarse lo suficientemente pronto. “La idea del agujero negro es la más extrema”, dice.
Pocos quieren tolerar una opción aún más extrema: que el modelo LCDM tiene la culpa. Podría modificarse para producir más halos de materia oscura o más grandes capaces de concentrar gas más rápidamente en galaxias más grandes. Pero los teóricos son reacios a jugar con él porque explica muchas cosas muy bien: la distribución observada de galaxias, la abundancia de gases primordiales y la expansión acelerada del universo. “Corríamos el riesgo de estropear todo lo demás”, dice Ferrara. «Tendrías que estar bastante desesperado».
