El Telescopio Espacial James Webb solo ha estado observando el cielo durante unas pocas semanas, y ya ha entregado un hallazgo sorprendente: decenas, cientos, tal vez incluso 1000 veces más galaxias brillantes en el universo primitivo de lo que los astrónomos anticiparon.
“Nadie esperaba algo así”, dice Michael Boylan-Kolchin de la Universidad de Texas, Austin. “Las galaxias están saliendo de la nada”, dice Rachel Somerville del Instituto Flatiron.
Los modelos de formación de galaxias ahora pueden necesitar una revisión, ya que los actuales sostienen que las nubes de gas deberían ser mucho más lentas para fusionarse en estrellas y galaxias de lo que sugieren las imágenes ricas en galaxias de Webb del universo primitivo, menos de 500 millones de años después del Big Bang. «Esto está fuera de la caja de lo que predecían los modelos», dice Garth Illingworth de la Universidad de California (UC), Santa Cruz.
Webb, un observatorio en órbita dirigido por la NASA con contribuciones de las agencias espaciales europea y canadiense, comenzó a observar a fines de junio desde su punto de vista a 1,5 millones de kilómetros de la Tierra. Gran parte de su tiempo hasta ahora se ha dedicado a proyectos destinados a mostrar sus capacidades, como la Encuesta de ciencia de liberación temprana de evolución cósmica (CEERS). Webb está diseñado para profundizar más en la historia cósmica que su predecesor, el telescopio espacial Hubble. Su espejo de 6,5 metros, con seis veces el área del Hubble, puede capturar más luz de fuentes distantes y, a diferencia del Hubble, opera en longitudes de onda infrarrojas, lo que hace que Webb sea más sensible a esas fuentes lejanas, cuya luz se estira a longitudes de onda más largas y rojas por expansión cósmica.
A los pocos días de que Webb comenzara las observaciones, detectó una galaxia candidata que parece haber sido brillando intensamente cuando el universo tenía solo 230 millones de años, un 1,7% de su edad actual, lo que la convertiría en la más lejana jamás vista. Las encuestas desde entonces han demostrado que el objeto es solo uno de un impresionante profusión de galaxias tempranascada uno pequeño para los estándares actuales, pero más luminoso de lo que esperaban los astrónomos.
Algunos investigadores advierten que la abundancia, basada en imágenes de una pequeña porción de cielo, puede ser una ilusión. Boylan-Kolchin se pregunta si Webb simplemente tuvo «mucha suerte» y se quedó mirando un enorme grupo de galaxias, más denso que el resto del universo primitivo. Esa pregunta se resolverá cuando CEERS amplíe su alcance a finales de este año y se obtengan los resultados de otras encuestas de gran alcance.
También es posible que los astrónomos estén identificando erróneamente galaxias de tiempos ligeramente más recientes como galaxias muy tempranas. Los espectros son el estándar de oro para medir la edad de una galaxia porque permiten medir con precisión el enrojecimiento de su luz. Pero recopilar espectros de muchas galaxias lleva tiempo. En cambio, las encuestas de Webb hasta ahora han estimado las edades de las galaxias a partir del color que aparecen en las imágenes, un método relativamente tosco. La cámara de infrarrojo cercano de Webb filtra su luz en unos pocos contenedores de longitud de onda ancha, dando a los astrónomos una medida aproximada del color; más rojo es igual a más distante. Pero el polvo que rodea una galaxia puede engañar a los observadores, ya que puede absorber la luz de las estrellas y volver a emitirla en longitudes de onda más largas, lo que hace que la galaxia se vea más roja.
Los primeros equipos científicos de Webb ya han identificado algunas de esas galaxias enmascaradas, ya que informe en varios preprints recientes. Pero si la profusión de galaxias tempranas es real, los astrónomos pueden tener que repensar fundamentalmente la formación de galaxias o la cosmología reinante.
Al observar las galaxias cercanas, los investigadores concluyeron que el calor dentro de las nubes de gas reduce la rapidez con la que la gravedad condensaría la materia en estrellas, lo que hace que la formación de estrellas tome aproximadamente 100 veces más que si la gravedad estuviera a cargo sola. A medida que las primeras estrellas en una protogalaxia comienzan a brillar, inyectan más calor en el gas, frenando la formación de nuevas estrellas. Y las primeras estrellas son gigantes de corta duración; cuando explotan como supernovas, calientan aún más las nubes de gas o las expulsan por completo de una galaxia en formación.
Los estudios con Hubble han demostrado que la tasa de formación de estrellas ha sido relativamente constante desde unos 600 millones de años después del Big Bang, dice Charlotte Mason del Instituto Niels Bohr. Pero los resultados de Webb implican que en épocas anteriores su ritmo era mucho más rápido, tan rápido, sugiere Somerville, como si las nubes de gas colapsaran libremente, sin ningún freno por el calor o las supernovas.
De hecho, Tommaso Treu de UC Los Ángeles, quien dirige otra encuesta de Webb llamada GLASS, dice que su equipo está viendo estas galaxias tempranas «formar estrellas como locas». Se ven, agrega, «como bolas gigantes de formación estelar y nada más».
Los teóricos no saben si la mayor densidad de la materia y las temperaturas más altas del universo primitivo podrían haber acelerado la formación de estrellas. Otra teoría es que las primeras estrellas podrían haberse formado más rápido porque se formaron a partir de la materia primordial sobrante del big bang (hidrógeno y helio) sin los elementos más pesados forjados por generaciones posteriores de estrellas.
O algo puede estar mal en la comprensión actual de cómo evoluciona el universo. La teoría predominante de la cosmología, conocida como lambda-CDM (que se refiere a la materia oscura fría), describe cómo, poco después del Big Bang, la materia oscura invisible que constituye la mayor parte del universo se agrupó bajo su propia gravedad en » halos”. Estos halos luego atrajeron materia normal y crearon las condiciones para que se condensara en galaxias. Lambda-CDM predice la cantidad y el tamaño de los halos que deberían existir en el universo primitivo y, por lo tanto, la cantidad de galaxias. “No hay mucho margen de maniobra”, dice Boylan-Kolchin.
Somerville dice que es posible modificar lambda-CDM para crear algo más parecido a lo que ve Webb. O, dice, los cosmólogos pueden verse obligados a reevaluar los primeros momentos del propio big bang: la era de la inflación, un período de rápido crecimiento en el que las fluctuaciones cuánticas se convirtieron en áreas de mayor o menor densidad de materia, las semillas de los halos posteriores. “Si la inflación está mal, eso podría ser muy fundamental”, dice. “Pero no apostaría a que fuera eso”.
Habiendo revelado el problema de las primeras galaxias, Webb puede proporcionar los datos necesarios para responderlo. Hasta ahora, Webb solo está viendo estrellas jóvenes, calientes y brillantes en las galaxias tempranas recién descubiertas. Las observaciones de seguimiento de estas galaxias en longitudes de onda más largas con el instrumento de infrarrojo medio de Webb o los radiotelescopios terrestres sensibles a ondas submilimétricas podrían revelar las nubes de gas que construyen estrellas activamente. Esas observaciones podrían ayudar a los astrónomos a confirmar que las primeras galaxias eran fábricas de estrellas inusualmente prodigiosas, y tienen pistas sobre cómo lo hicieron.
“En 6 meses tendremos una imagen mucho mejor de todo esto”, dice Boylan-Kolchin. “Es un momento muy emocionante”.
