El español que ve 'nacer' el universo: “Buscamos las galaxias primigenias formadas tras el Big Bang”

En el año 2020, Pablo Arrabal Haro se trasladó a Estados Unidos para trabajar en el NOIRLab, en Arizona, en plena pandemia de coronavirus. Aún recuerda la sensación extraña de viajar a un continente nuevo y quedarse encerrado. “Vi a mi jefe en persona un día y en diez meses no lo vi más”, asegura. A pesar de este tropiezo inicial, a sus 34 años la carrera de este astrofísico español está disparada, porque trabaja estudiando las imágenes del universo profundo obtenidas por el telescopio espacial James Webb (JWST) y sus trabajos con espectroscopía han revelado los detalles de las galaxias brillantes ultralejanas, las más primitivas detectadas hasta ahora.  

Tras dejar el NOIRLab, se ha incorporado apenas hace un mes al Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA para continuar con su trabajo. Charlamos con él por videoconferencia desde su despacho, cuando está trabajando en un proyecto que se propone observar unas 100 galaxias candidatas a encontrarse en los primeros 500 millones de años del universo y con algunas cajas de su reciente mudanza aún sin desembalar. 

¿Qué nos ha enseñado hasta ahora el telescopio JWST sobre los principios del universo?

El James Webb ha sido una revolución en nuestro entendimiento de cómo era el universo profundo. Sabíamos que iba a suponer un antes y un después, pero nadie se imaginaba que la diferencia iba a ser tan abrumadora, que íbamos a aprender tanto en tan poco tiempo. Desde que se lanzó, yo nunca he vivido un avance tan rápido en el campo. Lo más destacado es que hay una mayor cantidad de galaxias muy brillantes en una etapa muy temprana del universo (los primeros 500 millones de años) que es sustancialmente mayor que la predicha por los modelos previos a James Webb. Y la segunda gran sorpresa ha sido la sobreabundancia de agujeros negros supermasivos también en épocas tempranas. No se esperaba que hubiesen tenido tiempo de formarse tantos tan temprano, aunque no sean tan masivos como los que veíamos antes. 

¿Sería correcto decir que los primeros momentos del universo parecen ir a cámara rápida?

Sí, totalmente. La evolución de las galaxias en los primeros millones de años del universo ha sido más rápida de lo que se pensaba, mucho más que el ritmo de evolución que siguió posteriormente. 

¿Qué caracteriza a estas galaxias tempranas tan brillantes?

Creemos que lo que pasa en el universo primitivo es que hay más abundancia de estrellas jóvenes, de modo que están produciendo una luminosidad muy superior al de las estrellas viejas. Esta proporción mayor de estrellas jóvenes hace que las galaxias sean más brillantes sin necesidad de tener una masa tan grande. Los conflictos a nivel evolutivo vienen de preguntarse cómo es posible que se haya producido esta cantidad de masa en tan poco tiempo. Pero si lo que tienes son fuentes muy luminosas no tan masivas, tienes una relación luminosidad-masa que es muy superior en el universo primitivo, y eso está haciendo que las galaxias que observas sean más brillantes de lo que esperarías para la masa real que tienen.

Lo más destacado es que hay una mayor cantidad de galaxias muy brillantes en una etapa muy temprana del universo

¿Hubo cierto amarillismo al informar de que las observaciones de estas galaxias obligaban a retrasar la fecha del Big Bang?

Sí, fue un poco sorprendente, digamos. Porque hay algún científico bien reconocido en nuestro campo que apoyó ese estudio que era muy simplista. Pero era algo que todos sabíamos que no estaba bien, porque era tratar galaxias muy brillantes en esta época del universo, usando los mismos procedimientos que si fueran galaxias del universo local, y obviamente eso generaba masas muy superiores a las que realmente tienen. Aparte de la incertidumbre en la propia distancia, algunas de las galaxias de ese primer estudio que fue tan popular después se demostró que estaban mucho más cerca. Cuando tienes algo igual de brillante, pero más cerca, no necesitas tanta masa, porque, al estar más cerca, es normal que sea tan brillante.

¿Están mirando la infancia del universo?

Sí que es verdad que el James Webb nos está mostrando una época que es muy impredecible, en la que las galaxias, según el entorno en que se formen, tienen unas propiedades muy diferentes unas de otras. Y eso es lo que estamos observando. En las más lejanas que llegamos a observar con suficiente detalle encontramos propiedades muy diversas. La sensación es que el proceso de evolución está muy acelerado, así que diferencias muy sutiles hacen que esas propiedades sean diferentes. 

¿La secuencia por la que se formaron las primeras estrellas y galaxias sigue siendo la misma?  

Cualitativamente, lo que vemos no afecta al proceso por el que pensamos que se formaron las primeras galaxias, que básicamente es que los halos de materia oscura después de la recombinación empiezan a acretar gas de hidrógeno y helio, y de ese material se forman las primeras estrellas, ya en regiones densas de ese gas. La secuencia va de gas a estrellas y esas estrellas forman las galaxias, pero en el mismo sitio, en una región ya muy densa.

¿Sabemos en qué momento ocurre eso? 

No, esa es una de las grandes metas del James Webb, ver hasta dónde de lejos podemos llegar y observar las primeras galaxias. Es lo que se llama el fin de la edad oscura del universo, esa época en que ya es trasparente a los fotones, se ha recombinado el gas neutro en general y las primeras estrellas y galaxias empiezan a formarse. Pero no sabemos en que época se forman las primeras galaxias, es muy difícil dar una estimación de cuándo sucede.

Queremos ver ‘el fin de la edad oscura del universo’, esa época en que las primeras estrellas y galaxias empiezan a formarse

Los agujeros negros irían en último lugar de ese proceso. ¿No hay ninguna sorpresa respecto a ellos?

Estamos hablando de agujeros negros galácticos, no estelares, que son los supermasivos y requieren que haya habido ya una evolución de la galaxia. Lo que ahora estamos viendo es que es más fácil formar esos agujeros negros en el universo temprano.

¿Cuántas galaxias primitivas han detectado ya? 

No hay tantas, solo unas decenas. Y el objeto más lejano está a unos 290 millones de años después del Big Bang, eso es lo más lejano que hemos llegado. Con el telescopio espacial Hubble la más lejana —y generaba muchas dudas porque el espectro no era de mucha calidad— estaba a 430 millones de años, según hemos podido confirmar ahora con el James Webb 

Lo que ahora estamos viendo es que es más fácil formar esos agujeros negros en el universo temprano

¿Cómo de variadas y especiales son esas galaxias primitivas?

Las que estamos observando son galaxias brillantes, precisamente porque de otra manera no podríamos llegar a una distancia tan lejana. Es decir, en esa época tan temprana estamos un poco sesgados a los objetos más brillantes, porque son los que podemos llegar a detectar. Una de las particularidades de estas galaxias es que suelen ser muy poco metálicas y tienen muy poco polvo estelar, lo que hace que aumente su brillo, porque el polvo lo atenúa. Es una de las propuestas para explicar también por qué son más brillantes de lo que se pensaba. No es que no haya nada de polvo, porque el polvo se genera muy rápidamente en el universo, pero viene de generaciones posteriores de estrellas, que ya han existido y muerto y enriquecen el medio estelar. 

¿Se podría decir que ese primer universo estaría limpio de polvo de estrellas?

Sí, es una de las cosas que pensamos, pero todavía no hemos llegado a observar galaxias prístinas, lo que llamamos estrellas de población III que es uno de los grandes objetivos que la gente quiere encontrar. Son estrellas que serían totalmente primigenias, creadas a partir de gas primigenio posterior al Big Bang, únicamente tendrían hidrógeno y helio y a lo mejor algo de litio, pero sin carbono ni oxígeno. Sería un gran descubrimiento, te estaría indicando: aquí es donde empiezan a formarse las galaxias, estas son las primeras de todas. Y eso todavía no se ha encontrado. Por supuesto, a esa distancia no verías estrellas, sino protogalaxias. 

Uno de nuestros objetivos es encontrar estrellas totalmente primigenias, creadas a partir de gas primigenio posterior al Big Bang

¿Y el James Webb podría detectar una de esas galaxias prístinas?

Es posible, pero poco probable, eso es lo que pensamos. Lo que se espera encontrar son galaxias que tengan líneas de emisión muy específicas de hidrógeno y helio con una intensidad muy superior a las que vemos en las galaxias del resto de universo, pero aun así tendrían trazas de materiales de elementos más pesados.

¿Se puede considerar que ese es el gran objetivo?

Bueno, hay muchos objetivos en diferentes campos, nosotros nos centramos en galaxias profundas, que es uno de los grandes pilares del JWST. Ahora mismo el objetivo principal es entender qué son los “little red dots”, que son estos agujeros negros supermasivos no tan masivos, y cómo se forman y por qué hay tantos. Y descifrar qué procesos son los que están causando que esas galaxias ultralejanas sean más brillantes de lo que esperamos. Ya sabemos qué ingredientes pueden causar eso, pero no sabemos cuáles están en juego en esa época del universo. Sabemos que hay cosas que funcionan pero no sabemos realmente cuáles están pasando. Las explicaciones más sencillas pasan porque haya una densidad de polvo muy baja o casi inexistente, o que la formación estelar sea más violenta en esa época del universo, en el sentido de que las estrellas se forman en estallidos de formación estelar, que se forman muchas estrellas en un momento dado y luego se paran. 

Me emociono todavía, porque tengo la suerte de estar trabajando en proyectos de mucho nivel y rodeado de gente muy buena

¿Sigue emocionándose al ver las imágenes del primer universo?

Me emociono todavía, porque tengo la suerte de estar trabajando en proyectos de mucho nivel y rodeado de gente muy buena, en la punta de lanza para entender cómo es el universo profundo. Es una época muy bonita para dedicarte a esto. 

Pero, ¿qué siente al ver esas primeras galaxias y pensar en la escala?

Te diría que infunde humildad, pero es lo que siempre pasa cuando uno mira el universo, que siente lo insignificante que es un planeta como el nuestro y una especie dentro de ese planeta, lo relativizas todo. Sobre la escala, de vez en cuando tienes que separarte un poco y mirar desde fuera. Sigue siendo colosal, pero digamos que ya estás acostumbrado a trabajar con esos números y esa abstracción. Me doy cuenta cuando hablo de estrellas que se mueren “muy rápido” y me refiero a diez millones de años, que es más de lo que hemos estado nosotros aquí (risas).

¿Cuál es el siguiente paso de su grupo?

Nosotros estamos trabajando en un proyecto que se llama CAPERS (CANDELS-Area Prism Epoch of Reionization Survey), liderado por Mark Dickinson, del NOIRLab. Es el tercer proyecto más grande en tiempo dedicado aprobado hasta la fecha con el JWST y el más grande de espectroscopía profunda. De forma muy resumida, lo fundamental aquí es que los candidatos a galaxias ultralejanas se detectan primero en los datos de imagen, pero solo se consideran confirmados una vez se toma espectroscopía de ellos. 

Vamos a tomar espectroscopía profunda de unas 100 galaxias candidatas a encontrarse en los primeros 500 millones de años del universo

La espectroscopía descompone la luz de los objetos que observamos y nos muestra cómo es la distribución de energía de la galaxia en longitud de onda, lo que proporciona información mucho más precisa sobre la distancia a la que se encuentra el objeto, la composición química de sus estrellas y su medio interestelar, y otros parámetros físicos. En CAPERS vamos a tomar espectroscopía profunda de unas 100 galaxias candidatas a encontrarse en los primeros 500 millones de años del universo, y aparte observaremos simultáneamente otras 10.000 galaxias en diferentes momentos de la historia del universo.

¿Cuál ha sido el momento mas emocionante hasta ahora?

Recuerdo de forma muy especial la llegada de los primeros datos. Yo he trabajado en el proyecto CEERS (Cosmic Evolution Early Release Science). Fue un proyecto público “de primera hora” y la competitividad era enorme, gente de todo el mundo estaba pendiente y la presión era gigantesca. Recuerdo que estábamos en la Universidad de Austin, en Texas, y nos metimos todos en una habitación sin ventanas y solo con ordenadores, como si fuera un búnker. Teníamos bidones de comida y bebida y ordenadores, y nos pusimos a procesar los datos desde el momento en que llegaron sin parar durante una semana intensiva. Ahí fue cuando empezamos a buscar las primeras galaxias lejanas, todavía solo con datos de imagen, sin espectroscopía.

Y también fue el momento en que encontraron una galaxia muy especial, ¿no?

Una vez que Steve Finkelstein, que era el líder del programa, hizo la primera selección de candidatos a galaxias ultralejanas y estuvimos mirándola, vimos una en concreto que era especialmente clara. A esta le tenemos un cariño especial, la bautizamos como galaxia de Maisie, porque que es el nombre de la hija de Finkelstein, que llevaba tiempo pidiendo que le pusiera su nombre y coincidió que la encontramos el día de su cumpleaños, estando todos allí metidos en aquella habitación sin ventanas, trabajando sin parar.

Nosotros la publicamos como galaxia muy lejana y luego la confirmamos en un artículo en Nature, esa y otra mas ultralejanas y refutamos una candidata que habría sido el récord y seguiría siéndolo a día de hoy. Pero nosotros confirmamos con la espectroscopía de mi proyecto que era mucho más reciente. De haberse confirmado, esa galaxia habría estado a 240 millones después del Big Bang, pero resulta que estaba mucho más tarde, a 1.200 millones de años del Big Bang.

¿Es una pena no confirmar una anomalía así?

A mí me habría gustado confirmarla, porque habría roto muchas cosas. Esa galaxia, con lo luminosa que era, sí que habría sido un problema serio para los modelos de evolución de las galaxias, sí que habría sido imposible de explicar. A pesar de que siempre intentamos ir confirmando las teorías que tenemos, es emocionante encontrar algo que se escapa un poco del entendimiento y tener que explicarlo. Es un estímulo intelectual.

Si tuviera que pedirle un deseo al JWST en forma de descubrimiento, ¿cuál sería?

Como objetivo realista a corto o medio plazo, me gustaría contribuir sustancialmente a entender qué sucede con las galaxias brillantes tempranas. Si me pides un objeto concreto, me encantaría encontrar una galaxia con estrellas de población III, una galaxia aún más lejana. Sería como encontrar la foto de bebé de las primeras galaxias.