Las galaxias recién descubiertas de JWST son las más antiguas jamás vistas

En un enfrentamiento cosmológico de “¿Son o no son?” la contienda está firmemente a favor del primero: 10 a uno, en el último conteo. La pregunta es de profunda importancia: ¿Son las galaxias que el Telescopio Espacial James Webb (JWST) está viendo en el universo primitivo realmente tan asombrosamente remotas como creemos que son? Hasta ahora, la respuesta es un rotundo sí. “La gran mayoría de estas galaxias se están confirmando”, dice Steven Finkelstein, astrónomo de la Universidad de Texas en Austin. “Significa que todo lo que vimos el verano pasado, que tal vez el universo fue muy hábil en la formación de estrellas muy temprano, se mantendrá”.

El verano de 2022 vio a JWST desatar un torrente de descubrimientos. Después de un lanzamiento en diciembre de 2021 y más de medio año de puesta en marcha, JWST se encendió por completo en julio de 2022. Casi inmediatamente después, su sensibilidad infrarroja sin precedentes reveló los débiles resplandores de galaxias aparentemente del universo lejano que se había formado solo cientos de millones de años después del big bang. Los astrónomos esperaban que tales resultados históricos emergieran más gradualmente. “Hubo una explosión de datos”, dice Finkelstein.

Esos primeros resultados se produjeron tan rápidamente porque los investigadores utilizaron un atajo inteligente para estimar las distancias galácticas. Los astrónomos suelen precisar las coordenadas cósmicas midiendo con precisión el corrimiento al rojo, un estiramiento de la luz de una galaxia hacia el extremo rojo del espectro electromagnético como resultado de la expansión del universo. Pero esto requiere el acto de ensamblar y analizar el espectro de una galaxia, un proceso sutil y lento conocido como espectroscopia. En cambio, la manguera de descubrimiento de JWST fue impulsada por técnicas basadas en fotometría más crudas y rápidas que esencialmente usan variaciones obvias en el brillo de las galaxias para estimar su corrimiento al rojo.

Por lo tanto, mientras que los resultados fotométricos llegaron abundantes y rápidos el verano pasado, los resultados espectroscópicos apenas han comenzado a aparecer. Sin embargo, con distancias basadas en espectros disponibles de solo una docena de candidatos, los investigadores están descubriendo que la mayoría de las mediciones coinciden con los primeros resultados fotométricos. La última, publicada en Naturaleza Astronomía la semana pasada, confirma las estimaciones de distancia anteriores para cuatro galaxias más identificadas por el JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES). “Llevamos décadas esperando esto”, dice Emma Curtis-Lake de la Universidad de Hertfordshire en Inglaterra, quien dirigió el estudio de resultados espectroscópicos. “Poder hacerlo en los primeros meses de este telescopio fue simplemente increíble”.

De los cuatro, el más distante es uno con el nombre algo difícil de manejar JADES-GS-z13-0. Tiene un valor de corrimiento al rojo de 13,2, lo que significa que estamos viendo la galaxia tal como apareció solo 320 millones de años después del Big Bang. Ese alto corrimiento al rojo hace que JADES-GS-z13-0 sea el más distante conocido actualmente en el universo, un récord que JWST parece listo para romper de nuevo de manera inminente, pero que destaca por qué los astrónomos están tan emocionados. Ahora sabemos con certeza que estamos investigando una era del universo que ningún ser humano ha visto antes. “Es asombroso”, dice Pieter van Dokkum de la Universidad de Yale. Esta galaxia, señala evocadoramente, es solo un poco más antigua desde nuestra perspectiva que el tiempo total que los tiburones han existido en la Tierra: unos 300 millones de años. “Pasas de la nada a estas galaxias completamente formadas en un abrir y cerrar de ojos”, dice van Dokkum.

Sin embargo, no todas las galaxias candidatas a alto corrimiento al rojo han tenido tanta suerte, lo que resalta la cautela inicial de los astrónomos. En julio, otra encuesta llamada Cosmic Evolution Early Release Science Survey (CEERS), dirigida por Finkelstein, espió una posible galaxia con un corrimiento al rojo de 16,4, solo 240 millones de años después del Big Bang. La espectroscopia posterior ha demostrado que la deducción era incorrecta, como se reveló a fines de marzo en una investigación dirigida por Pablo Arrabal Haro, astrónomo del NOIRLab de la Fundación Nacional de Ciencias. La galaxia es en realidad un impostor polvoriento ubicado en un corrimiento al rojo de 4.9, 1.200 millones de años después del Big Bang, todavía impresionante pero no récord. Se cree que los altos niveles de formación de estrellas han confundido los primeros análisis fotométricos. “La contaminación nos puede engañar fácilmente”, dice Callum Donnan, de la Universidad de Edimburgo en Escocia, coautor del trabajo. “Una galaxia de alto corrimiento al rojo puede ser imitada por una galaxia de menor corrimiento al rojo con diferentes características”.

La buena noticia es que esta galaxia en particular parece ser un “caso único”, dice Donnan. El mismo estudio pudo confirmar que otras dos galaxias candidatas no tenían el mismo problema. Una de ellas es la galaxia de Maisie, que se ve con un desplazamiento al rojo de 11,4, unos 400 millones de años después del Big Bang, y recibió su nombre de la hija de Finkelstein. “Estaba muy emocionada cuando le dije que era real”, dice Finkelstein.

Ahora que se están confirmando tales galaxias, sus implicaciones científicas se pueden explorar más a fondo. Estas galaxias son pequeñas, muchas veces más pequeñas que la Vía Láctea. Pero algunos parecen extremadamente brillantes y masivos y tienen altas tasas de formación de estrellas similares a las de nuestra galaxia, que forma aproximadamente una nueva estrella cada año. Si bien las galaxias aún no plantean problemas para los principales modelos de cosmología, sugieren que la formación galáctica comenzó antes y avanzó más rápido de lo esperado en el universo, que los teóricos habían predicho previamente que comenzó a producir galaxias a la edad madura de mil millones de años después de la gran estallido.

“Estamos viendo un aumento de galaxias masivas más rápido de lo que pensábamos anteriormente”, dice Fabio Pacucci del Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica. Las edades de algunas de estas primeras galaxias se estiman en solo decenas de millones de años. Esto podría tener implicaciones para las grandes estructuras de materia oscura conocidas como halos que esculpieron las primeras galaxias y para la naturaleza de las propias partículas de materia oscura. “Una de las grandes preguntas abiertas es: ¿Qué es ¿materia oscura?” dice Sandro Tacchella de la Universidad de Cambridge. “La primera generación de galaxias es una sonda sensible para diferentes modelos de materia oscura”.

Todavía quedan algunas galaxias candidatas problemáticas, y potencialmente rompedoras de modelos, para el universo temprano. El primero de ellos puede ser una clase de galaxias identificadas por Ivo Labbé de la Universidad Tecnológica de Swinburne en Australia y sus colegas. El equipo encontró galaxias con miles de millones de masas solares, comparables en peso a la Vía Láctea, aproximadamente 750 millones de años después del Big Bang. Estas galaxias son de 10 a 100 veces más grandes que las galaxias vistas anteriormente en esta era y están empaquetadas en estructuras 30 veces más pequeñas que la Vía Láctea. “Son pequeños, pero son masivos”, dice Labbé, quien dice que JWST continúa encontrando galaxias similares esencialmente en cualquier lugar que mire profundamente en el cielo. Por ahora las galaxias solo han sido estudiadas por fotometría, estando previsto el análisis espectroscópico para julio. Pero el éxito fotométrico de otros resultados del JWST hasta ahora sugiere que el análisis preliminar de Labbé y sus colegas es correcto. “Las galaxias más extremas todavía parecen plantear un problema”, dice Michael Boylan-Kolchin de la Universidad de Texas en Austin, quien no participó en las observaciones del JWST discutidas en este artículo. “Algunos de estos sistemas tendrían que estar formando estrellas 1000 veces más rápido que la Vía Láctea. La pregunta es: ¿Es esa una cantidad imposiblemente alta de formación estelar?

El campo continúa cambiando rápidamente. Se espera que una encuesta en curso llamada COSMOS-Webb entregue muchos más candidatos de alto corrimiento al rojo. “Nuestras estimaciones en la propuesta fueron [to find galaxies] hasta un corrimiento al rojo de 10 más o menos”, dice Jeyhan Kartaltepe del Instituto de Tecnología de Rochester, quien dirige el programa. “Pero esos números podrían haber sido demasiado pesimistas”. Muchos otros astrónomos han presentado solicitudes de tiempo libre adicional en el telescopio al Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial en Maryland, que dirige el observatorio. Más aún han presentado propuestas para el segundo año de observaciones científicas programadas del telescopio, llamado Ciclo 2, que comienza en julio.

A algunos les preocupa que el campo se esté moviendo demasiado rápido. Si bien muchos de los datos de JWST, alrededor del 80 por ciento, tienen una ventana patentada de 12 meses en la que los investigadores responsables tienen acceso exclusivo a sus propias observaciones, el resto es de acceso abierto. Esto significa que cuando se toman observaciones, son inmediatamente accesibles al público y cualquiera puede usarlas. Antes de que Arrabal Haro y sus colegas publicaran su análisis de la galaxia redshift 16.4 en el servidor de preimpresión arXiv.org a finales de marzo, los astrónomos ya habían recogido su trabajo de acceso abierto en Twitter. “Quería hacer una prueba extremadamente simple”, dice Gabriel Brammer de la Universidad de Copenhague, quien publicó algunos de los primeros resultados. “El equipo hizo un análisis mucho más detallado. Pero puedes verlo instantáneamente si sabes dónde mirar”.

No todos están contentos con un acceso tan fácil. “Hay posdoctorados que han pasado años de su vida trabajando en esto y haciendo posibles estas observaciones”, dice Rebecca Larson de UT Austin, coautora del artículo de Arrabal Haro y parte del equipo de CEERS. “Luego, nuestros datos salen a la luz y son públicos, y la gente nos está compitiendo por los resultados. Estamos trabajando en ello y también se nos pide que brindemos otros aportes a la comunidad. Luego vendrán otras personas y pondrán papeles. Es realmente frustrante ver cómo sucede”. No está claro cómo resolver las tensiones en este momento. “Sería mejor si hubiera algunas reglas más concretas”, dice Tom Bakx de la Universidad de Nagoya en Japón, quien no participó en la investigación. “Imagínese si tiene niños pequeños, entonces simplemente no es posible pasar toda la noche calibrando los datos. Hay un pequeño desequilibrio de poder. Es una competencia muy abierta”.

Más positivamente, la situación parece haberse enfriado un poco desde las primeras semanas frenéticas de la operación de JWST. Ahora los astrónomos están haciendo lo que soñaron durante mucho tiempo: obtener sus primeros atisbos seguros de una época del universo nunca antes estudiada. Quién sabe cuánto más adelante veremos. “Tal vez la formación de galaxias ya comenzó con un corrimiento al rojo de 20”, dice van Dokkum, refiriéndose a un tiempo de apenas 180 millones de años después del Big Bang, una época apenas imaginable antes del JWST. Sin embargo, si el telescopio nos está mostrando algo, es esperar lo inesperado.

Nota del editor (14/4/23): Este artículo fue editado después de publicarlo para corregir el apellido de Pablo Arrabal Haro y la comparación con el tiempo total que los tiburones han existido en la Tierra.