El modelo estándar de cosmología sobrevive a los hallazgos sorprendentes de un telescopio

Se suponía que las grietas en la cosmología tardarían un tiempo en aparecer. Pero cuando el Telescopio Espacial James Webb (JWST) abrió su lente la primavera pasada, galaxias extremadamente distantes pero muy brillantes brillaron inmediatamente en el campo de visión del telescopio. “Eran tan estúpidamente brillantes, y simplemente se destacaron”, dijo Rohan Naidu, astrónomo del Instituto Tecnológico de Massachusetts.

Las distancias aparentes de las galaxias desde la Tierra sugirieron que se formaron mucho antes en la historia del universo de lo que nadie había anticipado. (Cuanto más lejos está algo, más tiempo hace que brilló su luz). Las dudas se arremolinaron, pero en diciembre, los astrónomos confirmaron que algunas de las galaxias son de hecho tan distantes y, por lo tanto, tan primordiales como parecen. La primera de esas galaxias confirmadas arrojó su luz 330 millones de años después del Big Bang, lo que la convierte en la nueva poseedora del récord de la estructura más antigua conocida en el universo. Esa galaxia era bastante tenue, pero otros candidatos vagamente vinculados al mismo período de tiempo ya brillaban intensamente, lo que significa que eran potencialmente gigantescos.

¿Cómo pudieron las estrellas encenderse dentro de nubes de gas sobrecalentadas tan pronto después del Big Bang? ¿Cómo pudieron entretejerse apresuradamente en estructuras tan enormes ligadas gravitacionalmente? Encontrar galaxias tempranas tan grandes y brillantes parece similar a encontrar un conejo fosilizado en los estratos precámbricos. “No hay grandes cosas en los primeros tiempos. Lleva un tiempo llegar a cosas importantes”, dijo Mike Boylan-Kolchin, físico teórico de la Universidad de Texas, Austin.

Los astrónomos comenzaron a preguntarse si la profusión de grandes cosas tempranas desafía la comprensión actual del cosmos. Algunos investigadores y medios de comunicación afirmaron que las observaciones del telescopio estaban rompiendo el modelo estándar de cosmología, un conjunto de ecuaciones bien probado llamado modelo de materia oscura fría lambda, o ΛCDM, que apunta de manera emocionante a nuevos ingredientes cósmicos o leyes gobernantes. 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 hacen que los astrónomos reconsideren cómo se forman las galaxias, especialmente en el comienzo cósmico. El telescopio aún no ha roto la cosmología, pero eso no significa que el caso de las galaxias demasiado tempranas resulte ser todo menos trascendental.

Tiempos más simples

Para ver por qué la detección de galaxias muy tempranas y brillantes es sorprendente, es útil comprender lo que los cosmólogos saben, o creen que saben, sobre el universo.

Después del Big Bang, el universo infantil comenzó a enfriarse. En unos pocos millones de años, el plasma turbulento que llenaba el espacio se asentó y los electrones, protones y neutrones se combinaron en átomos, en su mayoría hidrógeno neutro. Las cosas estuvieron tranquilas y oscuras durante un período de duración incierta conocido como las edades oscuras cósmicas. Entonces sucedió algo.

La mayor parte del material que se desintegró después del Big Bang está hecho de 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 (un término que significa partículas invisibles que se mueven lentamente) se arrojó por el cosmos indiscriminadamente. En algunas áreas, su distribución era más densa, y en estas regiones comenzó a colapsar en grupos. La materia visible, es decir, los átomos, se agrupaba alrededor de los cúmulos de materia oscura. A medida que los átomos también se enfriaron, finalmente se condensaron y nacieron las primeras estrellas. Estas nuevas fuentes de radiación recargaron el hidrógeno neutro que llenó 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.

Mientras tanto, todo seguía desmoronándose. El astrónomo Edwin Hubble descubrió en la década de 1920 que el universo se está expandiendo y, a fines de la década de 1990, su tocayo, el telescopio espacial Hubble, encontró evidencia de que la expansión se está acelerando. Piense en el universo como una hogaza de pan de pasas. Comienza como una mezcla de harina, agua, levadura y pasas. Cuando combina estos ingredientes, la levadura comienza a respirar y el pan comienza a crecer. Las pasas de uva que contiene, sustitutos de las galaxias, se separan más unas de otras a medida que se expande la hogaza.

El telescopio Hubble vio que el pan crece cada vez más rápido. Las pasas se separan a una velocidad que desafía su atracción gravitacional. Esta aceleración parece estar impulsada por la energía repulsiva del propio espacio, la llamada energía oscura, que se representa con la letra griega Λ (pronunciada “lambda”). Ingrese valores para Λ, materia oscura fría y materia regular y radiación en las ecuaciones de la teoría general de la relatividad de Albert Einstein, y obtendrá un modelo de cómo evoluciona el universo. Este modelo de "materia oscura fría lambda" (ΛCDM) coincide con casi todas las observaciones del cosmos.

Una forma de probar esta imagen es mirar galaxias muy distantes, equivalente a mirar hacia atrás en el tiempo a los primeros cientos de millones de años después del tremendo aplauso que comenzó todo. El cosmos era entonces más simple, su evolución más fácil de comparar con las predicciones.

Los astrónomos intentaron por primera vez ver las estructuras más antiguas del universo utilizando el telescopio Hubble en 1995. Durante 10 días, el Hubble capturó 342 exposiciones de una porción de espacio aparentemente vacía en la Osa Mayor. Los astrónomos quedaron asombrados por la abundancia que se esconde en la oscuridad como la tinta: el Hubble pudo ver miles de galaxias a diferentes distancias y etapas de desarrollo, remontándose a tiempos mucho más antiguos de lo que nadie esperaba. Hubble continuaría encontrando algunas galaxias extremadamente distantes: en 2016, los astrónomos encontró su más distante, llamado GN-z11, una mancha tenue que datan de 400 millones de años después del Big Bang.

Eso fue sorprendentemente temprano para una galaxia, pero no arrojó dudas sobre el modelo ΛCDM en parte porque la galaxia es pequeña, 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 parte de una población más grande de galaxias desconcertantes tempranas, lo que podría ayudar a determinar si nos falta una pieza crucial de la receta ΛCDM.

inexplicablemente distante

Ese telescopio espacial de próxima generación, llamado así por el exlíder de la NASA James Webb, lanzado el día de Navidad de 2021. Tan pronto como se calibró JWST, la luz de las primeras galaxias goteó en sus sensibles componentes electrónicos. Los astrónomos publicaron una avalancha de artículos que describen lo que vieron.

Los investigadores utilizan una versión del efecto Doppler para medir las distancias de los objetos. Esto es similar a averiguar la ubicación de una ambulancia en función de su sirena: la sirena suena más alta a medida que se acerca y luego más baja a medida que 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 parece más roja. La magnitud de este "corrimiento al rojo" se expresa como z, donde un valor dado para z te dice cuánto tiempo debe haber viajado la luz de un objeto para llegar a nosotros.

Uno de los primeros papeles. Los datos de JWST provinieron de Naidu, el astrónomo del MIT, y sus colegas, cuyo algoritmo de búsqueda marcó una galaxia que parecía inexplicablemente brillante e inexplicablemente distante. Naidu lo denominó GLASS-z13, lo que indica su distancia aparente con un corrimiento al rojo de 13, más lejos que cualquier cosa vista antes. (El corrimiento al rojo de la galaxia se revisó más tarde a 12.4 y se le cambió el nombre a GLASS-z12). Otros astrónomos que trabajaban en los diversos conjuntos de observaciones del JWST informaron valores de corrimiento al rojo de 11 a 20, incluidos una galaxia llamada CEERS-1749 o CR2-z17-1, cuya luz parece haberlo dejado hace 13.7 millones de años, solo 220 millones de años después del Big Bang, apenas un parpadeo después del comienzo del tiempo cósmico.

Estas supuestas detecciones sugirieron que la clara historia conocida como ΛCDM podría estar incompleta. De alguna manera, las galaxias se hicieron enormes de inmediato. “En el universo primitivo, no esperas ver galaxias masivas. No han tenido tiempo de formar tantas estrellas y no se han fusionado”, dijo Chris Lovell, astrofísico de la Universidad de Portsmouth en Inglaterra. De hecho, en un estudio publicado en noviembre, los investigadores analizaron simulaciones por computadora de universos gobernados por el modelo ΛCDM y encontraron que las primeras galaxias brillantes de JWST eran un orden de magnitud más pesadas que las que se formaron simultáneamente en las simulaciones.

Algunos astrónomos y medios de comunicación afirmaron que JWST estaba rompiendo la cosmología, pero no todos estaban convencidos. Un problema 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 qué sucedió en los primeros años después del Big Bang; esos primeros tiempos frenéticos deben ser aproximados en simulaciones por computadora. El otro problema es que es difícil saber exactamente qué tan lejos están las galaxias.

En los meses transcurridos desde los primeros documentos, se han reconsiderado las edades de algunas de las supuestas galaxias de alto corrimiento al rojo. Algunos fueron degradado a etapas posteriores de la evolución cósmica debido a las calibraciones actualizadas del telescopio. CEERS-1749 se encuentra en una región del cielo que contiene un cúmulo de galaxias cuya luz se emitió hace 12.4 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 hace parece más desplazado hacia el rojo de lo que es. Según Naidu, CEERS-1749 es extraño sin importar qué tan lejos esté. “Sería un nuevo tipo de galaxia que no conocíamos: una galaxia diminuta de muy baja masa que de alguna manera ha acumulado una gran cantidad de polvo en ella, que es algo que tradicionalmente no esperamos”, dijo. "Podría haber estos nuevos tipos de objetos que están confundiendo nuestras búsquedas de galaxias muy distantes".

La ruptura de Lyman

Todos sabían que las estimaciones de distancia más definitivas requerirían la capacidad más poderosa de JWST.

JWST no solo observa la luz de las estrellas a través de la fotometría o la medición del brillo, sino también a través de la espectroscopia o la medición de las longitudes de onda de la luz. Si una observación fotométrica es como una imagen de un rostro en una multitud, entonces una observación espectroscópica es como una prueba de ADN que puede revelar la historia familiar de un individuo. Naidu y otros que encontraron grandes galaxias tempranas midieron el corrimiento al rojo usando medidas derivadas del brillo, esencialmente mirando las caras de la multitud usando una cámara realmente buena. Ese método está lejos de ser hermético. (En una reunión de enero de la Sociedad Astronómica Estadounidense, los astrónomos bromearon diciendo que tal vez la mitad de las primeras galaxias observadas solo con fotometría resultarán medidas con precisión).

Pero a principios de diciembre, los cosmólogos anunció 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. Esta ruptura se produce porque el hidrógeno que flota en el espacio entre las galaxias absorbe la luz. Debido a la expansión continua del universo, el pan de pasas en constante aumento, la luz de las galaxias distantes se desplaza, por lo que la longitud de onda de esa ruptura abrupta también cambia. Cuando la luz de una galaxia parece caer en longitudes de onda más largas, está más distante. JADES identificó espectros con desplazamientos al rojo de hasta 13.2, lo que significa que la luz de la galaxia se emitió hace 13.4 millones de años.

Tan pronto como se descargaron los datos, los investigadores de JADES comenzaron a "volverse locos" en un grupo compartido de Slack, según kevin hainline, astrónomo de la Universidad de Arizona. “Fue como, '¡Oh, Dios mío, oh Dios mío, lo logramos, lo logramos, lo logramos!'”, dijo. “Estos espectros son solo el comienzo de lo que creo que será una ciencia que cambiará la astronomía”.

brant robertson, un astrónomo de JADES de la Universidad de California, Santa Cruz, dice que los hallazgos muestran que el universo primitivo cambió rápidamente en sus primeros mil millones de años, con galaxias que evolucionaron 10 veces más rápido que en la actualidad. Es similar a cómo “un colibrí es una criatura pequeña”, dijo, “pero su corazón late tan rápido que está viviendo una vida diferente a la de otras criaturas. El latido del corazón de estas galaxias está sucediendo en una escala de tiempo mucho más rápida que algo del tamaño de la Vía Láctea”.

Pero, ¿sus corazones latían demasiado rápido para que ΛCDM los explicara?

Posibilidades teóricas

Mientras los astrónomos y el público miraban boquiabiertos las imágenes del JWST, los investigadores comenzaron a trabajar detrás de escena para determinar si las galaxias que parpadeaban en nuestra vista realmente alteraban el ΛCDM o simplemente ayudaban a precisar los números que deberíamos introducir en sus ecuaciones.

Un número importante pero poco conocido se refiere a las masas de las primeras galaxias. Los cosmólogos intentan determinar sus masas para saber si coinciden con la línea de tiempo prevista de crecimiento de galaxias de ΛCDM.

La masa de una galaxia se deriva de su brillo. Pero megan donahue, astrofísico de la Universidad Estatal de Michigan, dice que, en el mejor de los casos, la relación entre la masa y el brillo es una conjetura basada en suposiciones extraídas de estrellas conocidas y galaxias bien estudiadas.

Una suposición clave es que las estrellas siempre se forman dentro de un cierto rango estadístico de masas, llamado función de masa inicial (FMI). Este parámetro IMF es crucial para obtener la masa de una galaxia a partir de las mediciones de su brillo, porque 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 pequeñas, rojas y frías.

Pero es posible que el FMI fuera diferente en el universo primitivo. Si es así, las primeras galaxias de JWST podrían no ser tan pesadas como sugiere su brillo; pueden ser brillantes pero ligeros. Esta posibilidad genera dolores de cabeza, porque cambiar esta entrada básica al modelo ΛCDM podría brindarle casi cualquier respuesta que desee. Lovell dice que algunos astrónomos consideran que jugar con el FMI es "el dominio de los malvados".

"Si no entendemos la función de masa inicial, entonces comprender las galaxias con un alto desplazamiento al rojo es realmente un desafío", dijo wendy freedman, astrofísico de la Universidad de Chicago. Su equipo está trabajando en observaciones y simulaciones por computadora que ayudarán a precisar el FMI en diferentes entornos.

En el transcurso del otoño, muchos expertos llegaron a sospechar que los ajustes en el IMF y otros factores podrían ser suficientes para cuadrar las galaxias muy antiguas que iluminan los instrumentos de JWST con ΛCDM. "Creo que en realidad es más probable que podamos acomodar estas observaciones dentro del paradigma estándar", dijo raquel somerville, astrofísico del Instituto Flatiron (que, al igual que Quanta revista, está financiado por la Fundación Simons). En ese caso, dijo, “lo que aprendemos es: ¿Qué tan rápido pueden los halos [de materia oscura] recolectar el gas? ¿Qué tan rápido podemos hacer que el gas se enfríe y se vuelva denso y haga estrellas? Tal vez eso suceda más rápido en el universo primitivo; tal vez el gas sea más denso; tal vez de alguna manera está fluyendo más rápido. Creo que todavía estamos aprendiendo sobre esos procesos”.

Somerville también estudia la posibilidad de que los agujeros negros interfirieran con el cosmos bebé. Los astrónomos tienen notado unos pocos agujeros negros supermasivos brillantes con un corrimiento al rojo de 6 o 7, aproximadamente mil millones de años después del Big Bang. Es difícil concebir cómo, en ese momento, las estrellas podrían haberse formado, muerto y luego colapsado en agujeros negros que se comieron todo lo que los rodeaba y comenzaron a arrojar radiación.

Pero si hay agujeros negros dentro de las supuestas galaxias tempranas, eso podría explicar por qué las galaxias parecen tan brillantes, incluso si en realidad no son muy masivas, dijo Somerville.

La confirmación de que ΛCDM puede acomodar al menos algunas de las primeras galaxias de JWST llegó el día antes de Navidad. astrónomos dirigidos por benjamin keller en la Universidad de Menfis comprobado un puñado de grandes simulaciones de supercomputadoras de universos ΛCDM y descubrió que las simulaciones podían producir galaxias tan pesadas como las cuatro que fueron estudiadas espectroscópicamente por el equipo de JADES. (Estas cuatro son, en particular, más pequeñas y tenues que otras supuestas galaxias tempranas como GLASS-z12). En el análisis del equipo, todas las simulaciones arrojaron galaxias del tamaño de los hallazgos de JADES con un corrimiento al rojo de 10. Una simulación podría crear tales galaxias. con un corrimiento al rojo de 13, lo mismo que vio JADES, y otras dos podrían construir las galaxias con un corrimiento al rojo aún mayor. Ninguna de las galaxias JADES estaba en tensión con el paradigma ΛCDM actual, informaron Keller y sus colegas en el servidor de preimpresión arxiv.org el 24 de diciembre.

Aunque carecen del peso para romper el modelo cosmológico prevaleciente, las galaxias de JADES tienen otras características especiales. Hainline dijo que sus estrellas parecen no estar contaminadas por metales de estrellas que explotaron previamente. Esto podría significar que son estrellas de la Población III, la primera generación de estrellas ávidamente buscada en encenderse, y que pueden estar contribuyendo a la reionización del universo. Si esto es cierto, entonces JWST ya ha retrocedido al misterioso período en el que el universo tomó su curso actual.

Evidencia extraordinaria

 La confirmación espectroscópica de galaxias tempranas adicionales podría llegar esta primavera, dependiendo de cómo el comité de asignación de tiempo de JWST divida las cosas. Una campaña de observación llamada WDEEP buscará específicamente galaxias de menos de 300 millones de años después del Big Bang. A medida que los investigadores confirmen más distancias de galaxias y mejoren en la estimación de sus masas, ayudarán a decidir el destino de ΛCDM.

Ya se están realizando muchas otras observaciones que podrían cambiar el panorama para ΛCDM. Freedman, que está estudiando la función de masa inicial, se levantó a la 1 am una noche descargando datos JWST sobre estrellas variables que usa como "velas estándar" para medir distancias y edades. Esas medidas podrían ayudar a resolver otro problema potencial con ΛCDM, conocido como la tensión de Hubble. El problema es que el universo actualmente parece expandirse más rápido de lo que predice ΛCDM para un universo de 13.8 millones de años. Los cosmólogos tienen muchas explicaciones posibles. Tal vez, especulan algunos cosmólogos, la densidad de la energía oscura que está acelerando la expansión del universo no es constante, como en ΛCDM, sino que cambia con el tiempo. Cambiar la historia de expansión del universo podría no solo resolver la tensión de Hubble sino también revisar los cálculos de la edad del universo en un corrimiento al rojo dado. JWST podría estar viendo una galaxia temprana tal como apareció, digamos, 500 millones de años después del Big Bang en lugar de 300 millones. Entonces, incluso las supuestas galaxias tempranas más pesadas en los espejos de JWST habrían tenido mucho tiempo para fusionarse, dice Somerville.

Los astrónomos se quedan sin superlativos cuando hablan de los primeros resultados de galaxias de JWST. Sazonan sus conversaciones con risas, improperios y exclamaciones, incluso cuando se recuerdan a sí mismos el adagio de Carl Sagan, por muy usado que sea, que afirmaciones extraordinarias requieren pruebas extraordinarias. No pueden esperar para tener en sus manos más imágenes y espectros, lo que les ayudará a perfeccionar o modificar sus modelos. “Esos son los mejores problemas”, dijo Boylan-Kolchin, “porque no importa lo que obtengas, la respuesta es interesante”.