El modelo estándar de la Cosmología sobrevive a los sorprendentes hallazgos del telescopio Webb
Los informes que afirmaban que el telescopio espacial James Webb había acabado con el modelo cosmológico imperante han resultado ser exagerados. Pero los astrónomos aún tienen mucho que aprender de las galaxias lejanas vislumbradas por Webb.
Por Rebecca Boyle (Enero 23 2023)
El telescopio Webb ha avistado galaxias sorprendentemente lejanas en el espacio y profundas en el pasado. Estas cuatro, estudiadas por un equipo llamado JADES, se ven tal y como aparecieron menos de 500 millones de años después del Big Bang.
Se suponía que las grietas de la cosmología tardarían en aparecer. Pero cuando el telescopio espacial James Webb (JWST) abrió sus lentes la pasada primavera, unas galaxias extremadamente distantes pero muy brillantes se asomaron de inmediato al campo de visión del telescopio. "Eran estúpidamente brillantes y simplemente sobresalían", afirma Rohan Naidu, astrónomo del Instituto Tecnológico de Massachusetts.
Las distancias aparentes entre las galaxias y la Tierra sugieren que se formaron mucho antes de lo previsto en la historia del Universo. (Cuanto más lejos está algo, más tiempo hace que brotó su luz). Las dudas se agolparon, pero en diciembre los astrónomos confirmaron que algunas de las galaxias son efectivamente tan distantes, y por tanto tan primordiales, como parecen. La primera de las galaxias confirmadas emitió su luz 330 millones de años después del Big Bang, lo que la convierte en la primera estructura conocida del universo. Esa galaxia era más bien tenue, pero otras candidatas vagamente vinculadas al mismo período de tiempo ya brillaban, lo que significa que eran potencialmente gigantescas.
¿Cómo pudieron encenderse estrellas dentro de nubes de gas sobrecalentadas tan poco tiempo después del Big Bang? ¿Cómo pudieron tejerse apresuradamente para formar estructuras gravitatorias tan enormes? Encontrar galaxias tan grandes, brillantes y primitivas parece similar a encontrar un conejo fosilizado en los estratos precámbricos. "No hay cosas grandes en los primeros tiempos. Se tarda un tiempo en llegar a las cosas grandes", afirma Mike Boylan-Kolchin, físico teórico de la Universidad de Texas en Austin.
Los astrónomos empezaron a preguntarse si la profusión de cosas grandes en los primeros tiempos desafía la comprensión actual del cosmos. Algunos investigadores y medios de comunicación afirmaron que las observaciones del telescopio rompían el modelo estándar de la cosmología -un conjunto de ecuaciones bien probadas denominado modelo lambda de la materia oscura fría, o ΛCDM- y apuntaban de forma emocionante a nuevos ingredientes cósmicos o leyes rectoras. Sin embargo, desde entonces ha quedado claro que el modelo ΛCDM es resistente. En lugar de obligar a los investigadores a reescribir las reglas de la cosmología, los hallazgos del JWST han hecho que los astrónomos se replanteen cómo se forman las galaxias, especialmente en el principio cósmico. El telescopio aún no ha roto la cosmología, pero eso no significa que el caso de las galaxias demasiado tempranas vaya a dejar de ser trascendental.
Tiempos más sencillos
Para entender por qué es sorprendente la detección de galaxias brillantes muy tempranas, es útil comprender lo que los cosmólogos saben -o creen saber- sobre el universo.
Tras el Big Bang, el universo comenzó a enfriarse. En unos pocos millones de años, el agitado plasma que llenaba el espacio se asentó y los electrones, protones y neutrones se combinaron en átomos, en su mayoría hidrógeno neutro. Las cosas permanecieron tranquilas y oscuras durante un periodo de duración incierta conocido como la edad oscura cósmica. Entonces ocurrió algo.
La mayor parte de la materia que se esparció tras el Big Bang está formada por algo que no podemos ver, llamado materia oscura. Ha ejercido una poderosa influencia sobre el cosmos, especialmente al principio. En la imagen estándar, la materia oscura fría (término que significa partículas invisibles de movimiento lento) fue arrojada por el cosmos de forma indiscriminada. En algunas zonas su distribución era más densa, y en esas regiones comenzó a colapsar en aglomeraciones. La materia visible, es decir, los átomos, se agrupó alrededor de los cúmulos de materia oscura. Como los átomos también se enfriaron, acabaron condensándose y nacieron las primeras estrellas. Estas nuevas fuentes de radiación recargaron el hidrógeno neutro que llenaba el universo durante la llamada época de reionización. A través de la gravedad, crecieron estructuras más grandes y complejas, construyendo una vasta red cósmica de galaxias.
Astrónomos del sondeo CEERS, que utilizan el telescopio espacial James Webb para estudiar el universo primitivo, observan un mosaico de imágenes del telescopio en un laboratorio de visualización de la Universidad de Texas, en Austin.
Mientras tanto, todo seguía volando en pedazos. El astrónomo Edwin Hubble descubrió en los años veinte que el universo se expande y, a finales de los noventa, su homónimo, el telescopio espacial Hubble, halló pruebas de que la expansión se acelera. Piensa en el universo como en una barra de pan con pasas. Comienza como una mezcla de harina, agua, levadura y pasas. Cuando se combinan estos ingredientes, la levadura comienza a respirar y el pan empieza a subir. Las pasas de uva, que representan galaxias, se separan unas de otras a medida que el pan se expande.
El telescopio Hubble ha visto que el pan crece cada vez más deprisa. Las pasas se separan a una velocidad que desafía su atracción gravitatoria. Esta aceleración parece estar impulsada por la energía repulsiva del propio espacio, la llamada energía oscura, representada por la letra griega Λ (pronunciada "lambda"). Si se introducen los valores de Λ, la materia oscura fría, la materia regular y la radiación en las ecuaciones de la teoría general de la relatividad de Albert Einstein, se obtiene un modelo de la evolución del universo. Este modelo de "materia oscura fría lambda" (ΛCDM) coincide con casi todas las observaciones del cosmos.
Una forma de poner a prueba esta imagen es observar galaxias muy lejanas, lo que equivale a retroceder en el tiempo hasta los primeros cientos de millones de años tras el tremendo zarpazo que lo inició todo. El cosmos era entonces más simple y su evolución más fácil de comparar con las predicciones.
Los astrónomos intentaron ver por primera vez las primeras estructuras del universo utilizando el telescopio Hubble en 1995. Durante 10 días, el Hubble captó 342 imágenes de una zona vacía del espacio en la Osa Mayor. Los astrónomos quedaron asombrados por la abundancia que se escondía en la oscuridad: el Hubble pudo ver miles de galaxias a diferentes distancias y en distintas fases de desarrollo, que se remontaban a épocas mucho más tempranas de lo que nadie esperaba. En 2016, los astrónomos descubrieron su galaxia más lejana, llamada GN-z11, una tenue mancha que dataron 400 millones de años después del Big Bang.
Era una fecha sorprendentemente temprana para una galaxia, pero no puso en duda el modelo ΛCDM, en parte porque la galaxia es diminuta, con solo el 1% de la masa de la Vía Láctea, y en parte porque estaba sola. Los astrónomos necesitaban un telescopio más potente para ver si GN-z11 era un bicho raro o formaba parte de una población mayor de galaxias tempranas desconcertantes, lo que podría ayudar a determinar si nos estamos perdiendo una pieza crucial de la receta ΛCDM.
Inexplicablemente distante
Ese telescopio espacial de nueva generación, bautizado con el nombre del ex dirigente de la NASA James Webb, se lanzó el día de Navidad de 2021. Tan pronto como el JWST fue calibrado, la luz de las primeras galaxias goteó en su sensible electrónica. Los astrónomos publicaron una avalancha de artículos describiendo lo que veían.
El telescopio espacial James Webb, una empresa conjunta de las agencias espaciales de Estados Unidos, Europa y Canadá que tardó décadas en diseñarse, construirse y probarse, fue lanzado al espacio el 25 de diciembre de 2021.
Los investigadores utilizan una versión del efecto Doppler para medir las distancias de los objetos. Es similar a averiguar la ubicación de una ambulancia por su sirena: La sirena suena más alta cuando se acerca y más baja cuando se aleja. Cuanto más lejos está una galaxia, más rápido se aleja de nosotros, por lo que su luz se extiende a longitudes de onda más largas y aparece más roja. La magnitud de este "corrimiento al rojo" se expresa como z, donde un valor dado de z indica cuánto tiempo debe haber viajado la luz de un objeto para llegar hasta nosotros.
Naidu, astrónomo del MIT, y sus colegas publicaron uno de los primeros artículos sobre los datos del JWST, en el que su algoritmo de búsqueda señalaba una galaxia que parecía inexplicablemente brillante e inexplicablemente distante. Naidu la bautizó como GLASS-z13, indicando su distancia aparente a un desplazamiento al rojo de 13, es decir, más lejos de lo que se había visto hasta entonces. (Posteriormente, el desplazamiento al rojo de la galaxia se revisó a la baja hasta 12,4, y pasó a llamarse GLASS-z12). Otros astrónomos que trabajaban en los diversos conjuntos de observaciones del JWST informaban de valores de desplazamiento al rojo de 11 a 20, incluida una galaxia llamada CEERS-1749 o CR2-z17-1, cuya luz parece haber salido de ella hace 13.700 millones de años, sólo 220 millones de años después del Big Bang -apenas un parpadeo después del comienzo del tiempo cósmico.
Estas supuestas detecciones sugirieron que la historia conocida como ΛCDM podría estar incompleta. De alguna manera, las galaxias se hicieron enormes de inmediato. "En el universo primitivo, no se espera ver galaxias masivas. No han tenido tiempo de formar tantas estrellas y no se han fusionado", explica Chris Lovell, astrofísico de la Universidad de Portsmouth (Inglaterra). De hecho, en un estudio publicado en noviembre, los investigadores analizaron simulaciones por ordenador de universos regidos por el modelo ΛCDM y descubrieron que las primeras galaxias brillantes del JWST eran un orden de magnitud más pesadas que las que se formaron simultáneamente en las simulaciones.
Rohan Naidu, astrónomo del Instituto Tecnológico de Massachusetts, fue uno de los primeros científicos en detectar una galaxia que era sorprendentemente primitiva y brillante en las imágenes del JWST.
Algunos astrónomos y medios de comunicación afirmaron que el JWST rompía la cosmología, pero no todos estaban convencidos. Uno de los problemas es que las predicciones de ΛCDM no siempre son claras. Mientras que la materia oscura y la energía oscura son simples, la materia visible tiene interacciones y comportamientos complejos, y nadie sabe exactamente lo que ocurrió en los primeros años después del Big Bang; esos primeros tiempos frenéticos deben aproximarse en simulaciones por ordenador. El otro problema es que es difícil saber exactamente a qué distancia están las galaxias.
En los meses transcurridos desde los primeros artículos, se han reconsiderado las edades de algunas de las supuestas galaxias con alto desplazamiento al rojo. Algunas han sido degradadas a etapas posteriores de la evolución cósmica debido a la actualización de las calibraciones de los telescopios. CEERS-1749 se encuentra en una región del cielo que contiene un cúmulo de galaxias cuya luz se emitió hace 12.400 millones de años, y Naidu dice que es posible que la galaxia sea en realidad parte de este cúmulo, un intruso más cercano que podría estar lleno de polvo que la hace parecer más desplazada al rojo de lo que es. Según Naidu, CEERS-1749 es extraña por muy lejos que esté. "Se trataría de un nuevo tipo de galaxia que no conocíamos: una galaxia diminuta y de muy baja masa que, de algún modo, ha acumulado mucho polvo en su interior, algo que tradicionalmente no esperamos", explica. "Puede que simplemente existan estos nuevos tipos de objetos que están confundiendo nuestras búsquedas de galaxias muy lejanas".
La ruptura de Lyman
Todo el mundo sabía que las estimaciones de distancia más definitivas requerirían la capacidad más potente de JWST.
JWST no sólo observa la luz de las estrellas mediante fotometría, o medición del brillo, sino también mediante espectroscopia, o medición de las longitudes de onda de la luz. Si una observación fotométrica es como la imagen de una cara entre la multitud, una observación espectroscópica es como una prueba de ADN que permite conocer la historia familiar de un individuo. Naidu y otros investigadores que descubrieron grandes galaxias primitivas midieron el desplazamiento al rojo a partir del brillo, es decir, observando las caras de la multitud con una cámara muy buena. Este método dista mucho de ser hermético. (En una reunión de enero de la Sociedad Astronómica Americana, los astrónomos bromearon diciendo que tal vez la mitad de las galaxias primitivas observadas sólo con fotometría resultarán estar medidas con precisión).
Pero a principios de diciembre, los cosmólogos anunciaron que habían combinado ambos métodos para cuatro galaxias. El equipo de JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) buscó galaxias cuyo espectro de luz infrarroja se corta abruptamente en una longitud de onda crítica conocida como ruptura de Lyman. Este corte se produce porque el hidrógeno que flota en el espacio entre las galaxias absorbe la luz. Debido a la continua expansión del universo -el pan de pasas en constante crecimiento-, la luz de las galaxias distantes se desplaza, por lo que la longitud de onda de esa ruptura abrupta también se desplaza. Cuando la luz de una galaxia parece disminuir a longitudes de onda más largas, significa que está más lejos. JADES identificó espectros con desplazamientos al rojo de hasta 13,2, lo que significa que la luz de la galaxia se emitió hace 13.400 millones de años.
Según Kevin Hainline, astrónomo de la Universidad de Arizona, en cuanto los datos fueron enviados, los investigadores de JADES empezaron a "flipar" en un grupo compartido de Slack. "Dios mío, Dios mío, lo hemos conseguido, lo hemos conseguido". "Estos espectros son sólo el principio de lo que creo que va a ser una ciencia que cambiará la astronomía".
Brant Robertson, astrónomo de JADES en la Universidad de California en Santa Cruz, afirma que los hallazgos muestran que el universo primitivo cambió rápidamente en sus primeros mil millones de años, con galaxias que evolucionaban 10 veces más rápido que en la actualidad. Es similar a "un colibrí, que es una criatura pequeña, pero cuyo corazón late tan deprisa que lleva una vida diferente a la de otras criaturas". El latido de estas galaxias se produce en una escala de tiempo mucho más rápida que el de algo del tamaño de la Vía Láctea".
¿Pero latían sus corazones demasiado rápido para que el ΛCDM pudiera explicarlo?
Posibilidades teóricas
Mientras los astrónomos y el público se quedaban boquiabiertos ante las imágenes del JWST, los investigadores empezaron a trabajar entre bastidores para determinar si las galaxias que parpadeaban a nuestra vista realmente ponían patas arriba el ΛCDM o sólo ayudaban a precisar los números que debíamos introducir en sus ecuaciones.
Una cifra importante, aunque poco conocida, se refiere a las masas de las primeras galaxias. Los cosmólogos intentan determinar sus masas para saber si coinciden con la cronología de crecimiento de las galaxias predicha por ΛCDM.
La masa de una galaxia se obtiene a partir de su brillo. Pero Megan Donahue, astrofísica de la Universidad Estatal de Michigan, afirma que, en el mejor de los casos, la relación entre masa y brillo es una conjetura basada en suposiciones extraídas de estrellas conocidas y galaxias bien estudiadas.
Una hipótesis clave es que las estrellas siempre se forman dentro de un cierto rango estadístico de masas, denominado función de masa inicial (FMI). Este parámetro de la FMI es crucial para deducir la masa de una galaxia a partir de las mediciones de su brillo, ya que las estrellas calientes, azules y pesadas producen más luz, mientras que la mayor parte de la masa de una galaxia suele estar encerrada en estrellas frías, rojas y pequeñas.
Pero es posible que el FMI fuera diferente en el universo primitivo. De ser así, las primeras galaxias observadas por el JWST podrían no ser tan pesadas como sugiere su brillo; podrían ser brillantes pero ligeras. Esta posibilidad causa dolores de cabeza, porque cambiar esta entrada básica al modelo ΛCDM podría dar casi cualquier respuesta que se desee. Lovell dice que algunos astrónomos consideran que juguetear con el FMI es "el dominio de los malvados".
Wendy Freedman, de la Universidad de Chicago, estudia cómo pueden cuadrar las observaciones del JWST con el modelo cosmológico estándar.
"Si no comprendemos la función de masa inicial, entender las galaxias a alto desplazamiento al rojo es todo un reto", afirma Wendy Freedman, astrofísica de la Universidad de Chicago. Su equipo está trabajando en observaciones y simulaciones por ordenador que ayudarán a precisar la FMI en distintos entornos.
A lo largo del otoño, muchos expertos llegaron a sospechar que los ajustes en la FMI y otros factores podrían ser suficientes para cuadrar las galaxias muy antiguas que iluminan los instrumentos del JWST con el ΛCDM. "Creo que en realidad es más probable que podamos acomodar estas observaciones dentro del paradigma estándar", dijo Rachel Somerville, astrofísica del Flatiron Institute (que, como Quanta Magazine, está financiado por la Simons Foundation). En ese caso, dijo, "lo que aprendemos es: ¿Cómo de rápido pueden los halos [de materia oscura] recoger el gas? ¿Con qué rapidez podemos hacer que el gas se enfríe y se vuelva denso, y forme estrellas? Tal vez eso ocurra más rápido en el universo primitivo; tal vez el gas sea más denso; tal vez, de algún modo, esté fluyendo más deprisa. Creo que aún estamos aprendiendo sobre esos procesos".
Somerville también estudia la posibilidad de que los agujeros negros interfirieran en el cosmos bebé. Los astrónomos han observado unos cuantos agujeros negros supermasivos brillantes a un desplazamiento al rojo de 6 ó 7, unos mil millones de años después del Big Bang. Es difícil concebir cómo, para entonces, las estrellas podrían haberse formado, muerto y luego colapsado en agujeros negros que se comieron todo lo que les rodeaba y empezaron a escupir radiación.
Pero si hay agujeros negros dentro de las supuestas galaxias primitivas, eso podría explicar por qué las galaxias parecen tan brillantes, aunque en realidad no sean muy masivas, dijo Somerville.
Benjamin Keller, astrónomo de la Universidad de Memphis, demostró que las simulaciones del cosmos realizadas con superordenadores podrían producir galaxias primitivas como las cuatro que han sido analizadas espectroscópicamente por el JWST.
La confirmación de que ΛCDM puede acomodar al menos algunas de las primeras galaxias del JWST llegó el día antes de Navidad. Astrónomos dirigidos por Benjamin Keller, de la Universidad de Memphis, comprobaron un puñado de importantes simulaciones de universos ΛCDM realizadas con superordenadores y descubrieron que las simulaciones podían producir galaxias tan pesadas como las cuatro estudiadas espectroscópicamente por el equipo JADES. (Estas cuatro son, sobre todo, más pequeñas y tenues que otras supuestas galaxias primitivas como GLASS-z12). En el análisis del equipo, todas las simulaciones daban como resultado galaxias del tamaño de las descubiertas por JADES a un desplazamiento al rojo de 10. Una simulación podría crear tales galaxias con un desplazamiento al rojo de 10. Una de las simulaciones podía crear esas galaxias a un desplazamiento al rojo de 13, el mismo que el observado por JADES, y otras dos podían construir las galaxias a un desplazamiento al rojo aún mayor. Ninguna de las galaxias de JADES entraba en tensión con el actual paradigma ΛCDM, según informaron Keller y sus colegas en el servidor de preimpresión arxiv.org el 24 de diciembre.
Aunque carecen del peso necesario para romper el modelo cosmológico imperante, las galaxias JADES presentan otras características especiales. Según Hainline, sus estrellas no parecen estar contaminadas por metales procedentes de estrellas que hayan explotado anteriormente. Esto podría significar que se trata de estrellas de la Población III -la ávidamente buscada primera generación de estrellas en encenderse- y que podrían estar contribuyendo a la reionización del universo. Si esto es cierto, entonces el JWST ya se ha asomado al misterioso periodo en el que el universo tomó su rumbo actual.
Pruebas extraordinarias
La confirmación espectroscópica de otras galaxias primitivas podría llegar esta primavera, dependiendo de cómo se reparta el tiempo el comité de asignación del JWST. Una campaña de observación denominada WDEEP buscará específicamente galaxias de menos de 300 millones de años después del Big Bang. A medida que los investigadores confirmen las distancias de más galaxias y estimen mejor sus masas, ayudarán a decidir el destino de ΛCDM.
Ya están en marcha muchas otras observaciones que podrían cambiar el panorama de ΛCDM. Freedman, que estudia la función de masa inicial, se levantó una noche a la 1 de la madrugada para descargar datos del JWST sobre estrellas variables que utiliza como "velas estándar" para medir distancias y edades. Estas mediciones podrían ayudar a resolver otro problema potencial de la ΛCDM, conocido como la tensión de Hubble. El problema es que actualmente el universo parece expandirse más rápido de lo que el ΛCDM predice para un universo de 13.800 millones de años. Los cosmólogos tienen muchas explicaciones posibles. Tal vez, especulan algunos cosmólogos, la densidad de la energía oscura que acelera la expansión del universo no es constante, como en ΛCDM, sino que cambia con el tiempo. Cambiar la historia de la expansión del universo podría no sólo resolver la tensión de Hubble, sino también revisar los cálculos de la edad del universo a un desplazamiento al rojo determinado. JWST podría estar viendo una galaxia primitiva tal y como apareció, digamos, 500 millones de años después del Big Bang en lugar de 300 millones. En ese caso, incluso las supuestas galaxias primitivas más pesadas en los espejos del JWST habrían tenido mucho tiempo para fusionarse, dice Somerville.
Los astrónomos se quedan sin superlativos cuando hablan de los resultados del JWST sobre las primeras galaxias. Salpican sus conversaciones con risas, improperios y exclamaciones, incluso mientras se recuerdan a sí mismos el adagio de Carl Sagan, por muy manido que esté, de que las afirmaciones extraordinarias requieren pruebas extraordinarias. Están impacientes por tener en sus manos más imágenes y espectros que les ayuden a perfeccionar o ajustar sus modelos. "Ésos son los mejores problemas", dice Boylan-Kolchin, "porque no importa lo que obtengas, la respuesta es interesante".
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