La masa de las galaxias y el telescopio James Webb

Cualquier teoría que intente explicar el origen del universo tiene que englobar a todas las escalas espaciales y a sus componentes más significativas. Eso incluye a los quarks, como elementos fundamentales de las partículas del núcleo atómico, y a las galaxias y cúmulos de galaxias, donde estos enormes almacenes de masa y energía danzan alrededor de su centro dinámico coreografiados por la gravitación.

El modelo estándar contiene así una teoría de la formación de las galaxias que se denomina de Materia Oscura Fría con Λ [1] (Λ Cold Dark Matter en inglés). La característica fundamental de este modelo —al menos para el asunto que nos ocupa hoy— es que las galaxias sufren un proceso de crecimiento y transformación jerárquico.

¿Qué quiere decir esto? Si consideramos que hay tres tipos morfológicos de galaxias: irregulares, espirales y elípticas, observamos que su abundancia relativa cambia con el tiempo cósmico. La teoría predice que las primeras galaxias que se formaron deberían tener una masa estelar baja —entre uno y diez millones de masas solares— y una alta tasa de formación estelar específica [2]. Abundarían las irregulares y la masa de las galaxias crecería con el tiempo por dos mecanismos bien diferenciados: la formación de nuevas estrellas y la fusión de dos o más galaxias atraídas hacia el pozo de potencial generado por las más masivas. Estas predicciones fueron pronto corroboradas por numerosas observaciones, entre las que cabe destacar a las maravillosas imágenes del telescopio espacial Hubble —Campo Profundo y Campo Ultra Profundo (Deep Field y Ultra Deep Field)— que nos muestran un universo joven, denso y violento, donde las galaxias son desgarradas por las fuerzas de marea y se fusionan unas con otras dando lugar a objetos cada vez más masivos modificando, en ocasiones, un tipo morfológico.

De esta forma, una numerosa y joven población de galaxias enanas, predominantemente irregulares, va evolucionando hacia un menor número de espirales con mayor masa —entre mil y diez mil millones de masas solares— y, en promedio, una menor capacidad de convertir gas en estrellas. Por otro lado, las espirales pueden seguir creciendo alimentándose de las enanas que orbitan a su alrededor, en una especie de canibalismo galáctico, y cuando dos de estas espirales gigantes se fusionan, como parece que es el destino de Andrómeda y la Vía Láctea, se forma una galaxia elíptica, el Leviatán de los cielos, con masas de entre cien mil millones y un billón de masas solares y una componente gaseosa residual, incapaz ya de formar nuevas estrellas. Podríamos decir que, grosso modo, este es el mejor escenario que nos hemos dado para explicar la trama de los cielos.

El telescopio espacial Hubble, diseñado para trabajar en el rango óptico y ultravioleta cercano, ayudó a perfilar este modelo proporcionando datos de alta calidad para un buen rango de corrimientos al rojo, es decir, para un período temporal cercano a la edad del universo. Pero, ¿viajamos tan atrás en el tiempo?, ¿vimos nacer a las primeras galaxias?, ¿fotografiamos a la familia completa? Estas preguntas forman parte de las cuestiones abiertas en Cosmología observacional y, junto a otros objetivos astronómicos, motivaron el diseño y construcción del telescopio espacial James Webb.

La clave y los espectros

Mientras que el Hubble se centraba en los rangos visible y ultravioleta, el James Webb fue diseñado para abrirnos la ventana infrarroja al espacio profundo. Dado que la expansión del universo se manifiesta en un corrimiento al rojo, la emisión ultravioleta de las galaxias, típica de la formación estelar masiva, se podría ver en el infrarrojo cercano si observáramos lo suficientemente profundo en el espacio-tiempo.

Esto es lo que nos está proporcionando el James Webb, pero sus imágenes de cielo profundo parecen poner en tela de juicio el paradigma expresado en los párrafos anteriores. Labbé y colaboradores reportan, en Nature (23/3/2023), que han encontrado seis galaxias con masas superiores a diez mil millones de soles. Estas galaxias presentan una alta tasa de formación estelar y un corrimiento al rojo (z) de entre 6 y 9 lo que corresponde a un tiempo cósmico de solo seiscientos millones de años —recordemos que la edad del universo se estima en trece mil ochocientos millones de años. ¿Qué le ocurre entonces a nuestro mejor modelo?

Simulaciones de un universo temprano son capaces de producir galaxias muy masivas en un corto espacio de tiempo e incluso, bajo ciertas condiciones, conseguir una tasa de formación estelar similar a la esperada para este tiempo cósmico, pero lo que parece imposible es generar una alta concentración de objetos tan masivos en un volumen de universo tan pequeño. La densidad de galaxias masivas observada supera en al menos dos órdenes de magnitud a la prevista por los modelos más optimistas.

¿Qué está pasando? Pues varias cosas. En primer lugar, que las medidas de las variables físicas como corrimiento al rojo, tiempo cósmico y masa estelar de las galaxias no son ni mucho menos directas, y deben obtenerse a partir de aproximaciones y modelos de la expansión del universo, la relación entre masa y luminosidad para distintos tipos de galaxias y el ajuste de las emisiones infrarrojas observadas a una plantilla de galaxia distorsionada por la expansión cósmica.  Los autores lo saben y lo discuten en el artículo. La masa estimada presenta una incertidumbre de hasta un factor cien. Y claro, si la masa real fuera cien veces inferior a la publicada por este grupo no estaríamos escribiendo este artículo, todo estaría en orden.

Ahora nos toca esperar a que el mismo James Webb nos proporcione la clave y obtenga espectros (distribuciones de energía por intervalos pequeños de longitud de onda) que nos rebajen sustancialmente la incertidumbre en la medida de estas variables y, si fuera posible, que los nuevos resultados nos permitieran seguir durmiendo tranquilos, sin preocuparnos de que el universo y nuestra visión del mismo no estuvieran donde tienen que estar.

[1] Λ indica que el modelo cosmológico incluye una proporción de energía oscura no nula, es decir introducimos la componente de materia-energía que acelera la expansión del universo.

[2] La tasa de formación estelar específica mide la cantidad de gas que se transforma en estrellas por unidad de tiempo y masa de la galaxia.

Cualquier teoría que intente explicar el origen del universo tiene que englobar a todas las escalas espaciales y a sus componentes más significativas. Eso incluye a los quarks, como elementos fundamentales de las partículas del núcleo atómico, y a las galaxias y cúmulos de galaxias, donde estos enormes almacenes de masa y energía danzan alrededor de su centro dinámico coreografiados por la gravitación.

El modelo estándar contiene así una teoría de la formación de las galaxias que se denomina de Materia Oscura Fría con Λ [1] (Λ Cold Dark Matter en inglés). La característica fundamental de este modelo —al menos para el asunto que nos ocupa hoy— es que las galaxias sufren un proceso de crecimiento y transformación jerárquico.