Pequeños objetos del universo primitivo desconciertan a los científicos
El telescopio espacial Webb (JWST) ha confirmado que los objetos luminosos y muy rojos detectados en el universo primitivo ponen en tela de juicio el pensamiento convencional sobre los orígenes y la evolución de las galaxias y sus agujeros negros supermasivos.
Un equipo internacional, dirigido por investigadores de la Universidad Estatal de Pensilvania, que utilizó el instrumento NIRSpec a bordo del JWST como parte del sondeo RUBIES, identificó tres objetos misteriosos en el universo primitivo, unos 600-800 millones de años después del Big Bang, cuando el universo tenía sólo el 5% de su edad actual. Anunciaron el descubrimiento este 27 de junio en la revista Astrophysical Journal Letters.
El equipo estudió las mediciones espectrales, o la intensidad de las diferentes longitudes de onda de la luz emitida por los objetos. Su análisis encontró señales de estrellas "viejas", de cientos de millones de años, mucho más antiguas de lo esperado en un universo joven.
Los investigadores dijeron que también se sorprendieron al descubrir señales de enormes agujeros negros supermasivos en los mismos objetos, estimando que son entre 100 y 1.000 veces más masivos que el agujero negro supermasivo de nuestra propia Vía Láctea. Ninguna de estas características se espera en los modelos actuales de crecimiento de galaxias y formación de agujeros negros supermasivos, que esperan que las galaxias y sus agujeros negros crezcan juntos a lo largo de miles de millones de años de historia cósmica.
"Hemos confirmado que estos parecen estar repletos de estrellas antiguas, de cientos de millones de años, en un universo que tiene solo entre 600 y 800 millones de años. Sorprendentemente, estos objetos tienen el récord de las primeras señales de luz estelar antigua", dijo en un comunicado Bingjie Wang, investigador postdoctoral en Penn State y autor principal del artículo.
"Fue totalmente inesperado encontrar estrellas antiguas en un universo muy joven. Los modelos estándar de cosmología y formación de galaxias han sido increíblemente exitosos, sin embargo, estos objetos luminosos no encajan del todo cómodamente en esas teorías".
Los investigadores detectaron por primera vez los objetos masivos en julio de 2022, cuando se publicó el conjunto de datos inicial del JWST. El equipo publicó un artículo en Nature varios meses después anunciando la existencia de los objetos.
En ese momento, los investigadores sospecharon que los objetos eran galaxias, pero continuaron su análisis tomando espectros para comprender mejor las distancias reales de los objetos, así como las fuentes que alimentaban su inmensa luz.
Luego, los investigadores utilizaron los nuevos datos para dibujar una imagen más clara de cómo se veían las galaxias y qué había dentro de ellas. El equipo no solo confirmó que los objetos eran de hecho galaxias cerca del comienzo de los tiempos, sino que también encontró evidencia de agujeros negros supermasivos sorprendentemente grandes y una población de estrellas sorprendentemente antigua.
"Es muy confuso", dijo Joel Leja, profesor asistente de astronomía y astrofísica en Penn State y coautor de ambos artículos. "Esto puede encajar de forma incómoda en nuestro modelo actual del universo, pero sólo si evocamos alguna formación exótica e increíblemente rápida al principio de los tiempos. Este es, sin duda, el conjunto de objetos más peculiar e interesante que he visto en mi carrera".
El JWST está equipado con instrumentos de detección de infrarrojos capaces de detectar la luz emitida por las estrellas y galaxias más antiguas. Básicamente, el telescopio permite a los científicos ver hacia atrás en el tiempo aproximadamente 13.500 millones de años, cerca del comienzo del universo tal como lo conocemos, dijo Leja.
Un desafío para analizar la luz antigua es que puede ser difícil diferenciar entre los tipos de objetos que podrían haber emitido la luz. En el caso de estos objetos tempranos, tienen características claras tanto de agujeros negros supermasivos como de estrellas antiguas.
Sin embargo, explicó Wang, aún no está claro qué proporción de la luz observada proviene de cada uno, lo que significa que podrían ser galaxias tempranas que son inesperadamente antiguas y más masivas incluso que nuestra propia Vía Láctea, formándose mucho antes de lo que predicen los modelos, o podrían ser galaxias de masa más normal con agujeros negros "supermasivos", aproximadamente de 100 a 1.000 veces más masivos que los que tendría una galaxia de ese tipo en la actualidad.
"Distinguir entre la luz del material que cae en un agujero negro y la luz emitida por las estrellas en estos objetos diminutos y distantes es un desafío", dijo Wang. "Esa incapacidad para notar la diferencia en el conjunto de datos actual deja un amplio margen para la interpretación de estos objetos intrigantes. Honestamente, es emocionante tener tanto de este misterio por resolver".
Aparte de su masa y edad inexplicables, si parte de la luz proviene de agujeros negros supermasivos, entonces tampoco son agujeros negros supermasivos normales. Producen muchos más fotones ultravioleta de lo esperado, y objetos similares estudiados con otros instrumentos carecen de las características de los agujeros negros supermasivos, como el polvo caliente y la emisión brillante de rayos X. Pero tal vez lo más sorprendente, dijeron los investigadores, es lo masivos que parecen ser.
"Normalmente, los agujeros negros supermasivos se encuentran emparejados con galaxias", dijo Leja. "Crecen juntos y pasan por todas sus experiencias vitales importantes juntos. Pero aquí tenemos un agujero negro adulto completamente formado que vive dentro de lo que debería ser una galaxia bebé. Eso realmente no tiene sentido, porque estas cosas deberían crecer juntas, o al menos eso es lo que pensábamos".
Tamaños increiblemente pequeños
Los investigadores también estaban perplejos por los tamaños increíblemente pequeños de estos sistemas, de solo unos pocos cientos de años luz de diámetro, aproximadamente 1.000 veces más pequeños que nuestra propia Vía Láctea. Las estrellas son aproximadamente tan numerosas como en nuestra propia galaxia, la Vía Láctea, con entre 10 mil millones y 1 billón de estrellas, pero contenidas en un volumen 1.000 veces más pequeño que la Vía Láctea.
Leja explicó que si tomáramos la Vía Láctea y la comprimiéramos al tamaño de las galaxias que encontraron, la estrella más cercana estaría casi en nuestro sistema solar. El agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea, a unos 26.000 años luz de distancia, estaría a sólo unos 26 años luz de la Tierra y sería visible en el cielo como un gigantesco pilar de luz.
