Charlotte Mason, astrofísica del Cosmic Dawn Center en Copenhague, se sumerge en la exploración de los misterios cósmicos a través de garabatos. «Soy una persona bastante visual», comenta, y añade que suele hacer numerosos dibujos para comprender mejor los fenómenos que estudia. Recientemente, ha estado ocupada esbozando «pequeños puntos rojos», unas intrigantes entidades detectadas en las imágenes del Telescopio Espacial James Webb (JWST). Estas diminutas luces no habían sido observadas antes de la activación del telescopio en 2022, pero ahora se sabe que comenzaron a formarse aproximadamente 650 millones de años después del Big Bang.
Estos puntos son solo una de las fascinantes incógnitas que han emergido a partir de las observaciones del JWST sobre el universo primitivo. Otros hallazgos incluyen agujeros negros de tamaño desproporcionado para su antigüedad y galaxias antiguas que desafían nuestros conocimientos previos sobre los primeros mil millones de años tras el Big Bang. Inicialmente, los científicos se sintieron desconcertados, ya que el universo revelado por el JWST no encajaba en los modelos existentes de astrofísica. Ahora, una serie de nuevas teorías comienzan a surgir, aunque la pregunta de cuál de ellas refleja la realidad sigue sin respuesta.
Nuevos horizontes en la astrofísica
Las teorías recientes sugieren que esos pequeños puntos rojos podrían ser agujeros negros rodeados por densas nubes de gas, lo que podría representar un nuevo tipo de objeto denominado «estrella de agujero negro». En este escenario, la densa envoltura de gas emitiría luz, simulando la atmósfera de una estrella. «Este sería mi agujero negro», menciona Mason mientras dibuja un círculo y lo rellena. «Quizás le añada un disco, ya que creemos que una parte de la emisión proviene de ahí». Sin embargo, Mason considera que estos misterios pueden esconder más de lo que aparentan. Ella y su equipo han analizado recientemente el espectro de luz emitido por uno de estos puntos rojos, y descubrieron que la luz no se había distorsionado como se esperaba al atravesar el gas.
Para Mason, esto significa que debe replantear su enfoque. «Si agrupo el gas en cúmulos», argumenta mientras dibuja un nuevo diagrama, «debería poder obtener una señal que se asemeje más a lo observado». En todo el mundo, investigadores como Mason están analizando con entusiasmo las imágenes del JWST sobre el cosmos primitivo para ofrecer una visión más clara de los orígenes de nuestro universo. Al igual que los fotones que han viajado miles de millones de años luz para llegar a nosotros, cada nuevo hallazgo va encajando en el rompecabezas del cosmos.
Agujeros negros: un rompecabezas cósmico
La historia de los agujeros negros ha adquirido una complejidad adicional gracias al JWST, que continúa identificando agujeros negros antiguos que superan en tamaño las expectativas basadas en teorías existentes. Apenas unos cientos de millones de años tras el Big Bang, ya se detectan agujeros negros con masas equivalentes a miles de millones de soles. «Para que alcancen ese tamaño tan rápidamente, hay que hacer malabarismos», explica Jenny Greene, astrofísica de la Universidad de Princeton. Los científicos consideran dos factores clave para el tamaño de un agujero negro: la masa de su «semilla» inicial y la velocidad de crecimiento posterior. Sin embargo, resulta complicado explicar cómo estos agujeros negros pudieron formarse ya con un tamaño considerable o cómo crecieron lo suficientemente rápido como para alcanzar masas de mil millones de soles en los primeros tiempos del universo.
En la actualidad, los agujeros negros se generan cuando el núcleo de una estrella masiva se queda sin combustible y colapsa. Dado que las primeras estrellas eran significativamente masivas, podrían haber dejado «semillas» de agujeros negros con masas de hasta 100 soles. «Sabemos que esto ocurre, pero es muy difícil que alcancen mil millones tan rápidamente», agrega Greene. «Realmente hay que alimentarlos a la fuerza». Históricamente, se ha considerado que existe un límite estricto en la velocidad de crecimiento de los agujeros negros. Cuando la materia se aproxima al agujero negro, se calienta y genera radiación que empuja hacia atrás el material en su camino, lo que impide que el agujero negro consuma más materia. Este límite, conocido como el límite de Eddington, sugiere que sería imposible que los agujeros negros crecieran decenas de millones de veces más en un periodo tan corto.
Explorando nuevas teorías
No obstante, simulaciones recientes sugieren que podría existir una «puerta trasera» para los agujeros negros. Si el disco de acreción se expande adecuadamente, el gas entrante podría superar la presión de la radiación. Esta acreción permitiría que el gas se canalizara a velocidades extraordinarias. Sin embargo, los astrónomos aún no están seguros de si había suficiente gas disponible para formar estos agujeros negros masivos. Algunos investigadores sostienen que antiguos y densos cúmulos estelares podrían haber generado numerosas «semillas» de agujeros negros que se fusionaron rápidamente. Alternativamente, los agujeros negros supermasivos podrían no haberse formado a partir de estrellas, sino que podrían haber surgido de colosales nubes de gas que se colapsaron directamente en un agujero negro. Este mecanismo de «colapso directo» podría resultar en una semilla con una masa hasta 10,000 veces superior a la del Sol.
Greene enfatiza que las condiciones necesarias para el colapso directo son bastante específicas. Para que funcione, una nube gigantesca debe comprimirse en un agujero negro de una sola vez, evitando que se fragmenten en nubes más pequeñas que formen estrellas. Esto requiere composiciones químicas particulares y que la nube gire lentamente. «Cuando se simula esto en una computadora, se pueden crear estos agujeros negros por colapso directo, pero no en cantidades suficientes para explicar todos los agujeros negros que observamos», añade Greene. Actualmente, existen evidencias que respaldan cada una de estas teorías.
Las primeras galaxias: un nuevo paradigma
Al igual que los agujeros negros, muchas de las primeras galaxias que el JWST ha detectado parecen ser demasiado brillantes. Esto ha llevado a los investigadores a reconsiderar sus nociones sobre la formación galáctica. Aproximadamente 200 millones de años después del Big Bang, el universo primitivo era pequeño, denso y caliente. Con su expansión y enfriamiento, la materia oscura comenzó a agruparse en halos, atrayendo hidrógeno y helio hacia filamentos que se concentraron en los núcleos de los orbes oscuros que los envolvían. Con el tiempo, la acumulación de gas y las presiones extremas dieron paso a la fusión nuclear, encendiendo las primeras estrellas y formando las primeras galaxias.
Los astrónomos describen la cronología de estos eventos en términos de desplazamiento al rojo, que mide cuánto se ha estirado la luz de los primeros objetos debido a la expansión cósmica. «No ocurre gran cosa hasta alcanzar un desplazamiento al rojo de aproximadamente 15 [270 millones de años después del Big Bang], y entonces empieza a fluir gran cantidad de gas a lo largo de estos filamentos», explica Rachel Somerville, investigadora científica sénior en el Flatiron Institute de Nueva York. Durante una reciente conferencia, presentó nuevas simulaciones por computadora que muestran cómo, alrededor de un desplazamiento al rojo de 11 [420 millones de años], la formación estelar comienza a acelerarse realmente.
Desentrañando los secretos del cosmos
La galaxia más antigua identificada hasta ahora por el JWST existió apenas 280 millones de años después del Big Bang. El descubrimiento de galaxias primitivas y brillantes llevó a algunos científicos a cuestionar si nuestras teorías cosmológicas fundamentales eran incorrectas. Sin embargo, tras un tiempo de estudio, los teóricos ahora tienen varios modelos para explicar su brillo y abundancia. «Hemos pasado de tener demasiadas galaxias primitivas a tener demasiadas teorías para explicarlas», comentó Somerville. Quizás las primeras galaxias fueron más eficientes en convertir gas en estrellas de lo que se pensaba, o quizás experimentaron periodos de formación estelar impulsados por condiciones turbulentas.
Para probar estas nuevas ideas, los investigadores están utilizando simulaciones del universo primitivo. «Se han logrado avances significativos desde el lanzamiento del Webb, especialmente en el último año, en lo que respecta a las simulaciones numéricas», afirmó Somerville. A medida que se desarrollan estos modelos, el telescopio James Webb continúa descubriendo más galaxias. Comparando lo que observa en el universo primitivo con simulaciones que intentan explicar esos fenómenos, los investigadores se acercan cada vez más a entender la verdadera naturaleza del amanecer cósmico.
La reionización: un cambio trascendental
Una vez que las primeras estrellas comenzaron a brillar
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