Pequeños objetos brillantes descubiertos en los albores del universo asombran a los científicos.

Un equipo internacional dirigido por investigadores de Penn State, utilizando el instrumento NIRSpec a bordo del 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 por ciento. su edad actual. Anunciaron el descubrimiento hoy (27 de junio). Cartas de diarios astrofísicos.

El equipo estudió mediciones espectrales, o la intensidad de diferentes longitudes de onda de luz emitidas por los objetos. Su análisis encontró 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 descubrir firmas de agujeros negros supermasivos en los mismos objetos, estimando que son entre 100 y 1.000 veces más masivos que los agujeros negros supermasivos de nuestra propia Vía Láctea. Nada de esto es lo que esperan los modelos actuales de crecimiento de galaxias y formación masiva de agujeros negros, que esperan que las galaxias y sus agujeros negros crezcan juntos a lo largo de miles de millones de años de historia cósmica.

“Hemos confirmado que parecen estar llenos de estrellas antiguas, de cientos de millones de años, en un universo que tiene sólo entre 600 y 800 millones de años”, dijo Bingjie Wang, investigador postdoctoral en Penn State y autor principal. del papel dijo. “Encontrar estrellas viejas en un Universo muy joven fue completamente inesperado. Los modelos estándar de cosmología y formación de galaxias han tenido un éxito increíble, pero estos objetos brillantes no encajan cómodamente en esas teorías”.

Los investigadores detectaron por primera vez el objeto masivo en julio de 2022, cuando JWST publicó el conjunto de datos inicial. El equipo publicó un artículo en Nature varios meses después 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 alimentan su inmensa luz.

Luego, los investigadores utilizaron los nuevos datos para pintar una imagen más clara de cómo son las galaxias y qué hay dentro de ellas. El equipo no sólo confirmó que estos objetos eran en realidad galaxias cerca del comienzo de los tiempos, sino que también encontró evidencia de agujeros negros sorprendentemente grandes y poblaciones de estrellas sorprendentemente antiguas.

“Es muy confuso”, dijo Joel Leja, profesor asistente de astronomía y astrofísica en Penn State y coautor de ambos artículos. “Es incómodo encajarlo en nuestro modelo actual del universo, pero sólo si creamos algo exótico, extremadamente rápido al principio de los tiempos. Visto 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 casi 13.500 millones de años, cerca del comienzo del universo tal como lo conocemos, dijo Leja.

Un desafío para analizar la luz antigua es que puede resultar difícil distinguir entre los tipos de objetos que emiten luz. En el caso de estos primeros objetos, tienen características claras tanto de agujeros negros masivos como de estrellas viejas. Sin embargo, explicó Wang, todavía no está claro cuánta luz observada proviene de cada una de ellas, lo que significa que podrían ser galaxias primordiales que son inesperadamente viejas y mucho más masivas que nuestra propia Vía Láctea, que se forman mucho antes de lo que predicen los modelos, o se forman mucho antes de lo que predicen los modelos. poder. Los agujeros negros “más masivos” serían galaxias con masas más comunes, entre 100 y 1.000 veces más masivas que las galaxias actuales.

“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. “La incapacidad de distinguir la diferencia en el conjunto de datos actual deja mucho espacio para la interpretación de estas cosas interesantes.

Además de su masa y edad inexplicables, si parte de la luz proviene realmente de agujeros negros supermasivos, tampoco son agujeros negros supermasivos normales. Producen muchos más fotones ultravioleta de lo esperado, y se han estudiado objetos similares con otros instrumentos que carecen del característico polvo caliente y la brillante emisión de rayos X de los agujeros negros supermasivos. Pero quizás lo más sorprendente, dijeron los investigadores, es lo grandes que parecen ser.

“Por lo general, los agujeros negros supermasivos se emparejan con galaxias”, dijo Leja. “Crecen juntos y pasan todas sus principales experiencias de vida juntos. Pero aquí tenemos un agujero negro maduro completamente formado que debe contener una galaxia bebé. No tiene sentido, porque estas cosas deben crecer juntas. , o al menos eso es lo que pensábamos.”

Los investigadores también estaban preocupados por el tamaño increíblemente pequeño de estos sistemas, de sólo unos pocos cientos de años luz, unas 1.000 veces más pequeños que nuestra propia Vía Láctea. Las estrellas son casi tan numerosas como las de nuestra propia galaxia, la Vía Láctea, entre 10 mil millones y 1 billón de estrellas, pero existen en un volumen 1.000 veces más pequeño que la Vía Láctea.

Leja explicó que si se tomara la Vía Láctea y se comprimiera al tamaño de estas galaxias, la estrella más cercana estaría aproximadamente en nuestro sistema solar. El agujero negro supermasivo en el centro de la Vía Láctea, a unos 26.000 años luz de distancia, estará a sólo 26 años luz de la Tierra y será visible como un pilar gigante de luz en el cielo.

“Estas galaxias tempranas estarán muy densas en estrellas, estrellas que se formaron de maneras que nunca antes habíamos visto, en condiciones que nunca esperaríamos verlas”, dijo Leja. “Y por alguna razón, el universo dejó de producir cosas como ésta después de unos pocos miles de millones de años. Son exclusivas del universo primitivo”.

Los investigadores esperan continuar con más observaciones, que según ellos podrían ayudar a explicar algunos de los misterios del objeto. Planean apuntar telescopios a los objetos durante largos períodos de tiempo para tomar espectros profundos, lo que ayudará a descartar emisiones de estrellas y posibles agujeros negros supermasivos al identificar las firmas de absorción específicas que tiene cada uno.

“Hay otra manera en que podemos progresar, y es simplemente la idea correcta”, dijo Leja. “Tenemos todas estas piezas del rompecabezas y sólo encajan si ignoramos el hecho de que algunas de ellas se están desmoronando. El problema es susceptible de esta genialidad que hasta ahora ha estado lejos de nosotros, de todos nuestros colegas y de todo el mundo”. Comunidad cientifica.”

Wang y Lija 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. Este trabajo se basa en parte en observaciones realizadas por el Telescopio Espacial James Webb de NASA/ESA/CSA. Los cálculos para la investigación se realizaron en la supercomputadora Roar del Instituto de Ciencias Computacionales y de Datos de Penn State.

Otros coautores del artículo son Anna de Graaf del Instituto Max-Planck de Astronomía de Alemania. Gabriel Brammer del Centro Amanecer Cósmico y el Instituto Niels Bohr; Andrea Weibel y Pascal Ouesch de la Universidad de Ginebra; Nico Cleary, Michaela Hirshman, Peter van Doekum y Rohan Naidoo de la Universidad de Yale; Ivo Labbé de la Universidad de Stanford; Juret Mathie y Jenny Green de la Universidad de Princeton; Ian McConachie y Rachel Bezenson de la Universidad de Pittsburgh; Josephine Begin de la Universidad Texas A&M; Catherine Suess del Observatorio de Sauvignon en Suiza; David Seton del Instituto Cowley 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-Infrarroja de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. y de la Universidad de Arizona.