Pequeños objetos brillantes descubiertos en los albores del universo desconciertan a los científicos

Un equipo internacional dirigido por investigadores de Penn State que utilizó el instrumento NIRSpec en 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 actual. edad. Anunciaron el descubrimiento hoy (27 de junio). Cartas de diarios astrofísicos.

El equipo estudió mediciones espectrales, o la intensidad de las longitudes de onda de la luz emitida por varios objetos. Su análisis reveló 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 encontrar firmas de agujeros negros supermasivos gigantes en los mismos objetos, estimados entre 100 y 1.000 veces más masivos que el agujero negro supermasivo de nuestra propia Vía Láctea. No se espera nada de eso en los modelos actuales de crecimiento de galaxias y formación de agujeros negros supermasivos, que predicen que las galaxias y sus agujeros negros se fusionarán a lo largo de miles de millones de años de historia cósmica.

«Hemos confirmado que parecen estar llenos de estrellas antiguas que tienen cientos de millones de años, en un universo que tiene sólo entre 600 y 800 millones de años. Sorprendentemente, estos objetos muestran los primeros signos de luz de estrellas antiguas», dijo Bingjie. Wang, becario postdoctoral de Penn State y autor principal de este artículo. «Fue completamente 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 muy cómodamente en estas teorías».

Los investigadores notaron por primera vez los objetos masivos en julio de 2022, cuando el JWST publicó el conjunto de datos inicial. Varios meses después, el equipo publicó un artículo en Nature 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 verdaderas distancias de los objetos, así como las fuentes que proporcionan su inmensa luz.

Luego, los investigadores utilizaron los nuevos datos para obtener una imagen más clara de cómo eran las galaxias y qué había en ellas. El equipo no sólo confirmó que los objetos eran en realidad galaxias cercanas al 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. «Se puede hacer que esto encaje cómodamente en nuestro modelo actual del universo, pero sólo si invocamos alguna formación exótica e increíblemente rápida al comienzo de los tiempos. Este es sin duda el conjunto de objetos más extraño e interesante que he visto jamás. en mi carrera.»

JWST está equipado con instrumentos sensores infrarrojos capaces de detectar la luz emitida por las estrellas y galaxias más antiguas. Básicamente, el telescopio permite a los científicos mirar hacia atrás unos 13.500 millones de años, cerca del comienzo del universo tal como lo conocemos, dijo Ley.

Uno de los desafíos de analizar la luz antigua es que puede resultar difícil distinguir 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, Wang explicó que aún no está claro cuánta luz observada proviene de cada una de ellas, 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 galaxias de masa normal con agujeros negros «supermasivos», entre 100 y 1000 veces más masivos que una galaxia de este tipo en la actualidad.

«Es difícil 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», dijo Wang. «Esta incapacidad para distinguir la diferencia en el conjunto de datos actual deja mucho espacio para la interpretación de estos objetos intrigantes. Honestamente, es emocionante que quede mucho de este misterio por resolver».

Aparte de su masa y edad inexplicables, si parte de la luz proviene realmente 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 características de los agujeros negros supermasivos, como el polvo caliente y la emisión brillante de rayos X. Pero quizás lo más sorprendente, según los investigadores, es lo masivos que parecen ser.

«Normalmente, los agujeros negros supermasivos están emparejados con galaxias», dijo Ley. «Crecen juntos y pasan por todas sus experiencias de vida más importantes juntos. Pero aquí tenemos un agujero negro completamente formado que vive en lo que debería ser una galaxia bebé. Realmente no tiene sentido porque se supone que estas cosas crecen juntas. , o eso pensábamos.» .»

Los investigadores también quedaron desconcertados por el tamaño increíblemente pequeño de estos sistemas, sólo unos pocos cientos de años luz, unas 1.000 veces más pequeños que nuestra propia Vía Láctea. Hay aproximadamente el mismo número de estrellas que nuestra propia galaxia, la Vía Láctea, con entre 10 mil millones y 1 billón de estrellas, pero son 1.000 veces más pequeñas que la Vía Láctea.

Ley explicó que si se toma la Vía Láctea y se reduce al tamaño de las galaxias que hemos encontrado, es casi seguro que la estrella más cercana 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 a sólo 26 años luz de la Tierra y sería visible en el cielo como un pilar de luz gigante.

«Estas galaxias primitivas estarían llenas de estrellas, estrellas que debieron haberse formado de una manera que nunca antes habíamos visto, en condiciones que nunca esperaríamos, en un período en el que nunca esperaríamos verlas». Dijo Ley. «Y por alguna razón, el universo dejó de producir objetos similares después de sólo un par de miles de millones de años. Son exclusivos del universo primitivo».

Los investigadores esperan obtener más observaciones, que creen que podrían ayudar a explicar algunos de los misterios de los objetos. Planean capturar espectros más profundos apuntando el telescopio a los objetos durante largos períodos de tiempo, lo que ayudará a separar la radiación de las estrellas y el posible agujero negro supermasivo al determinar las firmas de absorción específicas que tendría cada uno.

«Hay otra manera de lograr un gran avance, y es simplemente la idea correcta», dijo Leigh. «Tenemos todas las piezas de este rompecabezas, y sólo encajan si ignoramos el hecho de que algunas de ellas se rompen. Este problema está sujeto a una genialidad que hasta ahora se nos ha escapado a nosotros, a todos nuestros colaboradores y a toda la comunidad científica. «.

Wang y Ley recibieron financiación del Programa de Observadores Generales de la NASA. La investigación también contó con el apoyo del Instituto Internacional de Ciencias Espaciales de Berna. El trabajo se basa en parte en observaciones realizadas con el Telescopio Espacial James Webb de NASA/ESA/CSA. Los cálculos de la investigación se realizaron en la supercomputadora Roar del Instituto de Ciencias Computacionales y de Datos de Penn State.

Otros coautores de este artículo son Anna de Graaf del Max-Planck-Institut für Astronomie de Alemania; Gabriel Brammer del Centro Amanecer Cósmico y el Instituto Niels Bohr; Andrea Weibel y Pascal Eesch de la Universidad de Ginebra; Nikko Cleri, Michaela Hirschmann, Pieter van Dokkum y Rohan Naidu de la Universidad de Yale; Ivo Labbe de la Universidad de Stanford; Jory Mathie y Jenny Green de la Universidad de Princeton; Ian McConachie y Rachel Besanson de la Universidad de Pittsburgh; Josephine Baggen de la Universidad Texas A&M; Katherine Suess del Observatorio de Sauverny en Suiza; David Seton, del Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial del Instituto Tecnológico de Massachusetts; Erica Nelson de la Universidad de Colorado; Christina Williams del Laboratorio Nacional de Investigación de Astronomía Óptica e Infrarroja de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. y de la Universidad de Arizona.