Un descubrimiento reciente realizado por el Telescopio Espacial James Webb (JWST) de la NASA confirmó que los objetos luminosos y muy rojos detectados previamente en el universo temprano trastornan el pensamiento convencional sobre los orígenes y la evolución de las galaxias y sus agujeros negros supermasivos.
Un equipo internacional, dirigido por investigadores de Penn State, utilizando el instrumento NIRSpec a bordo del JWST como parte del estudio RUBIES, identificó tres objetos misteriosos en el universo temprano, entre 600 y 800 millones de años después del Big Bang, cuando el universo tenía solo el 5% de su tamaño. su edad actual. Anunciaron el descubrimiento hoy 27 de junio en Astrophysical Journal Letters.
El equipo estudió medidas espectrales o intensidad de diferentes longitudes de onda de luz emitida por los objetos. Su análisis encontró firmas 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 firmas de enormes agujeros negros supermasivos en los mismos objetos, estimando que son de 100 a 1.000 veces más masivos que el agujero negro supermasivo de nuestra propia Vía Láctea. Ninguna de estas cosas 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 parecen estar repletos de estrellas antiguas (de cientos de millones de años) en un universo que tiene sólo entre 600 y 800 millones de años. Sorprendentemente, estos objetos ostentan el récord de las primeras señales de luz de estrellas antiguas». dijo Bingjie Wang, investigadora postdoctoral en Penn State y autora principal del artículo.
«Fue totalmente inesperado encontrar estrellas viejas en un universo muy joven. Los modelos estándar de cosmología y formación de galaxias han tenido un éxito increíble, pero estos objetos luminosos no encajan cómodamente en esas teorías».
Los investigadores detectaron por primera vez los objetos masivos en julio de 2022, cuando JWST publicó el conjunto de datos inicial. 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 alimentan su inmensa luz.
Luego, los investigadores utilizaron los nuevos datos para dibujar una imagen más clara de cómo eran las galaxias y qué había dentro de ellas. El equipo no sólo confirmó que los objetos eran en realidad 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. «Es posible hacer que esto encaje incómodamente en nuestro modelo actual del universo, pero sólo si evocamos alguna formación exótica e increíblemente rápida al comienzo de los tiempos. Este es, sin duda, el conjunto de objetos más peculiar e interesante que he conocido. 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 retroceder 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 resultar difícil diferenciar entre los tipos de objetos que podrían haber emitido la luz. En el caso de estos primeros objetos, tienen características claras tanto de agujeros negros supermasivos como de estrellas viejas.
Sin embargo, explicó Wang, aún no está claro cuánta luz observada proviene de cada una, lo que significa que podrían ser galaxias tempranas que son inesperadamente viejas y más masivas incluso que nuestra propia Vía Láctea, y se formaron mucho antes de lo que predicen los modelos, o podrían ser Más galaxias de masa normal con agujeros negros «sobremasivos», aproximadamente entre 100 y 1.000 veces más masivos de lo que tendría una galaxia de este 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 pequeños y distantes es un desafío», dijo Wang. «Esa incapacidad para distinguir 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 firmas 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 están emparejados con galaxias», afirmó Leja. «Crecen juntos y pasan por todas sus principales experiencias de vida 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.»
Los investigadores también quedaron perplejos por el tamaño increíblemente pequeño de estos sistemas, de sólo 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 están contenidas en un volumen 1.000 veces más pequeño que la Vía Láctea.
Leja explicó que si tomaras la Vía Láctea y la comprimieras al tamaño de las galaxias que encontraron, la estrella más cercana casi estaría en nuestro sistema solar. El agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea, a unos 26.000 años luz de distancia, estaría sólo a unos 26 años luz de la Tierra y sería visible en el cielo como un pilar de luz gigante.
«Estas galaxias tempranas estarían muy densas de estrellas, estrellas que debieron haberse formado de una manera que nunca hemos visto, en condiciones que nunca esperaríamos durante un período en el que nunca esperaríamos verlas», dijo Leja. «Y por alguna razón, el universo dejó de producir objetos como estos después de sólo un par de miles de millones de años. Son exclusivos del universo primitivo».
Los investigadores esperan realizar más observaciones que, según ellos, podrían ayudar a explicar algunos de los misterios de los objetos. Planean tomar espectros más profundos apuntando el telescopio a los objetos durante períodos prolongados de tiempo, lo que ayudará a desentrañar la emisión de las estrellas y el posible agujero negro supermasivo al identificar las firmas de absorción específicas que estarían presentes en cada una.
«Hay otra manera de lograr un gran avance, y esa es la idea correcta», dijo Leja. «Tenemos todas estas piezas del rompecabezas y sólo encajan si ignoramos el hecho de que algunas de ellas se están rompiendo. Este problema es susceptible de un golpe de genialidad que hasta ahora se nos ha escapado a nosotros, a todos nuestros colaboradores y a toda la comunidad científica».
Con información de The Astrophysical Journal Letters (2024)
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