Desvelando el aspecto de las galaxias más antiguas; en busca de los orígenes del universo

El telescopio espacial James Webb está descubriendo cúmulos distantes de estrellas que se formaron sorprendentemente pronto, lo que plantea nuevos misterios sobre cómo evolucionó el universo.

Por Nadia Drake
Publicado 27 ene 2023, 12:15 CET
El universo visto desde el telescopio espacial James Webb

Con el telescopio espacial James Webb, los científicos se han asomado al universo primigenio y han descubierto galaxias que existían cuando el universo sólo tenía entre 300 y 400 millones de años.

Fotografía de Image by NASA, ESA, CSA, M. Zamani (ESA, Webb)

El universo naciente no se parecía en nada al cosmos que conocemos hoy. Al principio estaba oscuro: no había estrellas ni galaxias, sólo una sopa celeste hirviendo a fuego lento. Pero cientos de millones de años después del big bang, se formaron las primeras galaxias (cómo exactamente es un misterio) y se inició una secuencia evolutiva que pobló el cosmos de galaxias, incluida nuestra Vía Láctea.

Ahora, los astrónomos han descubierto galaxias primigenias que podrían haberse formado antes y haber crecido más rápido de lo previsto.

(Relacionado: ¿Cuál fue el origen del universo?)

La luz de algunas de estas galaxias, vislumbradas por el telescopio espacial James Webb de la NASA, atravesó el cosmos durante unos 13 400 millones de años antes de chocar con los espejos dorados del instrumento. Aunque el JWST sólo lleva seis meses plenamente operativo, sus observaciones ya están desvelando los primeros días de la historia galáctica. Al menos dos de las galaxias descubiertas por el JWST están más alejadas que cualquier otra observada hasta ahora, y el telescopio ha detectado otras intrigantes candidatas a la espera de confirmación.

"Estamos viendo cómo eran las galaxias en una época en la que el universo sólo tenía entre 300 y 400 millones de años", declaró Jane Rigby, científica del proyecto de operaciones del JWST, ante un auditorio abarrotado durante la reunión de invierno de este año de la Sociedad Astronómica Americana, celebrada en Seattle (Estados Unidos).

Múltiples equipos están utilizando el JWST para echar un vistazo a la oscuridad primordial, donde las galaxias antiguas podrían revelar nuevos conocimientos sobre la historia de la creación del universo. Esa historia comienza con una explosión hace unos 13 700 millones de años; las estrellas, los planetas y los seres que pueblan el universo actual son el producto de miles de millones de años de evolución cósmica. Pero sus raíces están plantadas en la infancia cósmica, ocultas tras un velo de polvo. El JWST, con su ojo infrarrojo exquisitamente sensible, fue diseñado para atravesar este velo.

(Relacionado: Entendiendo el universo inédito y sublime de las primeras imágenes a color del James Webb)

En 800 exposiciones tomadas entre 2003 y 2004, el telescopio espacial Hubble captó lo que entonces era la vista visible más profunda y detallada del universo, conocida como el Campo Ultraprofundo del Hubble y que se ve aquí. Ahora, gracias al JWST, la comunidad científica ha observado la misma región para descubrir algunas de las galaxias más antiguas hasta la fecha.

Fotografía de Image by NASA, ESA, S. Beckwith (STScI) and the HUDF Team

Los astrónomos, entusiasmados por los primeros éxitos del JWST, están impacientes por descubrir cuánto puede ver atrás en el tiempo. Las galaxias que brillaron cerca del principio de los tiempos ya presentan nuevos misterios.

"Hay muchísimas: demasiadas, demasiado grandes, demasiado brillantes, demasiado calientes, demasiado maduras y demasiado pronto", declaró John Mather, científico jefe del proyecto JWST de la NASA, durante la reunión de la AAS celebrada en Seattle.

Mirando a través del espacio y el tiempo

Los telescopios como el JWST son un poco como máquinas del tiempo. Cuando miran a través de grandes distancias, también miran hacia atrás en el tiempo. La luz captada muestra los objetos tal y como eran cuando brillaron por primera vez, a veces hace millones o miles de millones de años.

A medida que la luz viaja por el cosmos en expansión, se alarga y se vuelve más roja. Los astrónomos pueden medir el alcance de ese estiramiento, denominado desplazamiento al rojo, que puede utilizarse para calcular la distancia de un objeto. Un mayor desplazamiento al rojo significa que un objeto está más lejos.

(Relacionado: Los espectaculares 'huesos' de la galaxia: una nueva mirada a las profundidades del universo)

La Galaxia Fantasma, M74, brilla en su máximo esplendor en esta imagen óptica combinada del Hubble y en infrarrojo medio del JWST. El estudio de las primeras galaxias puede ayudar a los astrónomos a comprender cómo evolucionaron las galaxias modernas, como M74.

Fotografía de Image by ESA, Webb, NASA & CSA, J. Lee and the PHANGS-JWST Team; ESA, Hubble & NASA, R. Chandar and J. Schmidt

El estudio de objetos cósmicos a alto desplazamiento hacia el rojo (o corrimiento al rojo) es una de las principales prioridades del JWST. Situado a un millón de kilómetros de la Tierra, el telescopio ve en el infrarrojo, lo que lo convierte en un instrumento ideal para detectar longitudes de onda más largas y rojas. Las galaxias detectadas por el JWST ya están obligando a los astrónomos a replantearse qué es exactamente un alto desplazamiento al rojo, o "alto z".

"JWST ha cambiado absolutamente nuestra definición de alto z", escribe Guido Roberts-Borsani, de la Universidad de California en Los Ángeles, en un correo electrónico. En 2015, dice, las galaxias más distantes conocidas tenían valores de corrimiento al rojo de 8 o 9. Pero entonces el telescopio espacial Hubble detectó una galaxia más tarde llamada GN-z11 alrededor del desplazamiento al rojo 11 y empujó las primeras galaxias aún más atrás en el tiempo.

"Ahora, el JWST ha eclipsado esa situación", afirma Roberts-Borsani, y la frontera del desplazamiento al rojo se ha desplazado a valores de 12 o 13, lo que equivale a hace unos 13 300 o 13 400 millones de años.

(Relacionado: ¿Qué aspecto tiene la galaxia más lejana?)

En busca del rojo

Desde hace décadas, los astrónomos compiten por encontrar las galaxias con mayor desplazamiento al rojo, primero con los telescopios espaciales Hubble y Spitzer, y ahora con el JWST. Históricamente, la competencia entre los equipos que luchan por encontrar la galaxia que ostente el récord ha sido bastante feroz, aunque eso podría estar cambiando. Cuando Emma Curtis-Lake, astrofísica de la Universidad de Hertfordshire (Inglaterra), presentó nuevas galaxias récord durante una reunión científica celebrada en diciembre en el Space Telescope Science Institute de Baltimore (Estados Unidos), toda la sala de astrónomos lanzó un grito de alegría.

"Hemos entrado en un régimen completamente nuevo: es la primera vez que tenemos confirmación de algo más lejano de lo que el Hubble podía ver, y esto es sólo el principio", declaró a National Geographic Curtis-Lake, miembro de la colaboración JADES (Advanced Deep Extragalactic Survey) del JWST.

Durante el verano, JADES examinó una zona muy estudiada del cielo austral (una porción del emblemático Campo Ultraprofundo del Hubble) en busca de galaxias primigenias. Los cazadores de galaxias de la colaboración examinaron primero las 100 000 galaxias de una imagen tomada por la Cámara de Infrarrojo Cercano del JWST. Este instrumento puede medir desplazamientos al rojo estimados a partir de la luz de una galaxia vista a través de diferentes filtros. A continuación, apuntaron otro instrumento, el Espectrómetro de Infrarrojo Cercano del JWST, a los objetivos más intrigantes.

El espectrómetro puede revelar el desplazamiento al rojo exacto de una galaxia (y, por tanto, su edad y distancia) a partir de interrupciones características en el espectro de la luz procedente de las galaxias. Estas mediciones espectroscópicas son mucho más precisas, afirma Brant Robertson, miembro del equipo JADES de la Universidad de California en Santa Cruz, razón por la cual los astrónomos las consideran la confirmación del desplazamiento al rojo de una galaxia.

Curtis-Lake, Robertson y sus colegas confirmaron las distancias a cuatro galaxias que poblaban el cosmos primordial cuando sólo tenía unos 300 o 400 millones de años. Dos de ellas, aunque están muy lejos, también habían sido avistadas por el Hubble. Las otras dos están más lejos de lo que el Hubble pudo ver, con desplazamientos al rojo de 12,6 y 13,2. Estas galaxias están formadas en su mayor parte por elementos más ligeros, como hidrógeno y helio, porque existieron antes de que grandes cantidades de elementos más pesados tuvieran tiempo de formarse.

"Son como pequeños bebés en un universo que aún no se ha puesto en marcha", explica Curtis-Lake.

(Relacionado: El universo se expande más rápido de lo que creíamos)

Una familia de galaxias primitivas

Los astrónomos trabajando en otro sondeo de galaxias tempranas, el programa Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS), anunciaron durante la reunión de la AAS la confirmación de más galaxias, muchas de las cuales se encuentran entre los desplazamientos al rojo 8 y 9. El primer mosaico de CEERS, un compuesto de 690 fotogramas individuales que detalla una porción de cielo cerca de la curva del mango de la Osa Mayor, es la mayor imagen de sondeo de galaxias del JWST publicada hasta ahora.

Steve Finkelstein, de la Universidad de Texas-Austin, advirtió a los astrónomos en Baltimore: "Pasarán mucho tiempo haciendo zoom en estas imágenes. Puedes divertirte mucho".

Aunque ninguna de las galaxias CEERS confirmadas está tan lejos como las cuatro detectadas por JADES, una galaxia no confirmada que los astrónomos aún están investigando podría estar a una distancia descomunal. La candidata aparece como una mancha a un desplazamiento al rojo estimado de 16, lo que significa que podría ser imposiblemente joven y estar muy lejos. El equipo también descubrió una galaxia en forma de tomate con un desplazamiento al rojo estimado de 12, conocida ahora como la galaxia de Maisie, en honor a la hija de Finkelstein.

"Era una candidata realmente válida, y merecía la pena escribir un artículo en el cumpleaños de mi hija, así que ésta es la galaxia de Maisie", explicó en la reunión de Baltimore.

Ambas galaxias están a la espera de confirmación espectroscópica y, mientras tanto, otros equipos están ocupados identificando candidatos de alto desplazamiento al rojo entre las otras primeras imágenes de JWST. Uno de estos equipos, dirigido por Haojing Yan, de la Universidad de Missouri, afirma haber detectado 87 galaxias con desplazamientos al rojo de 11 a 20. Estas candidatas también están a la espera de confirmación. 

"Apuesto 20 dólares y una cerveza (una muy buena) a que el porcentaje de éxito debería ser superior al 50%", declaró Yan a la prensa durante la reunión de la AAS.

Si incluso una pequeña fracción de esas galaxias candidatas resultan estar tan lejos como se estimó inicialmente, dice Yan, entonces "nuestra imagen previamente favorecida de la formación de galaxias en el universo temprano debe ser revisada."

(Relacionado: Esta es la primera imagen del inmenso agujero negro del centro de nuestra galaxia)

Poniendo a prueba las leyes de la naturaleza

A primera vista, parece que el universo primitivo fue más pródigo en la cocción de estrellas y galaxias de lo que los científicos habían previsto.

"Las galaxias que estamos encontrando a esos desplazamientos al rojo son más numerosas de lo que esperábamos basándonos en observaciones anteriores, y también son más brillantes de lo que esperábamos a esos desplazamientos al rojo", escribe Roberts-Borsani. "Para encajar en esta 'nueva' imagen, las galaxias tuvieron que empezar a formarse antes y más rápido de lo que se pensaba".

Roberts-Borsani es miembro de la colaboración GLASS-JWST, que también busca galaxias a alto desplazamiento al rojo y las estudia para comprender la evolución cósmica. La colaboración GLASS estudió una zona del cielo que se encuentra detrás de un enorme cúmulo de galaxias, y el equipo ya ha descubierto un puñado de galaxias aparentemente primordiales, más de lo que las simulaciones habían predicho. "Hay algo un poco raro ahí", declaró Roberts-Borsani a los astrónomos en Baltimore.

Pero, dice, hay formas de explicar la aparente sobreabundancia sin romper las leyes del universo actualmente establecidas. Los telescopios como el JWST sólo pueden obtener imágenes de pequeñas zonas del cielo a la vez, por lo que, por casualidad, los equipos podrían estar estudiando partes del cielo que están inusualmente repletas de galaxias. Otra posibilidad es que estas galaxias primitivas sean simplemente más brillantes de lo esperado, quizá porque la formación estelar funcionó de forma diferente a lo pensado. Una tercera explicación es que las estimaciones basadas en las observaciones del Hubble son incompletas debido a su limitada capacidad de observación, y tal vez, por razones aún inexplicables, el universo primitivo fue más eficiente a la hora de encender las luces de lo previsto.

Las respuestas a estas preguntas podrían encontrarse en futuros estudios. Por ahora, dice Finkelstein, el JWST ha demostrado a los astrónomos que el universo primitivo estaba "¡más lleno de estrellas de lo que pensábamos!".

Este artículo se publicó originalmente en inglés en nationalgeographic.com.

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