Observaciones recientes realizadas con el telescopio espacial James Webb revelaron sorprendentemente un exceso de galaxias masivas en el universo, que ya aparecían en los primeros 500 millones de años posteriores al Big Bang. Si bien estos hallazgos ponen en tela de juicio las ideas existentes sobre la formación de las primeras galaxias, investigadores de la Universidad Hebrea proponen ahora una solución sencilla a este rompecabezas.
Según el modelo propuesto, las condiciones únicas que prevalecieron en las primeras galaxias, caracterizadas por una alta densidad y baja concentración de elementos pesados, permitieron la formación eficiente de estrellas sin interferencia de otras estrellas.
El nuevo modelo teórico, publicado por el profesor Avishai Dekel junto con sus colegas el profesor Yuval Birnboim, el Dr. Nir Mandelker, el Dr. Kartick Sarkar y el Dr. Zhaozhou Li, todos ellos del Instituto Racah de Física de la Universidad Hebrea de Jerusalem, fue aceptado recientemente para su publicación en la revista de la Real Sociedad Astronómica.
"Ya en el primer medio billón de años, hemos identificado galaxias, cada una de las cuales contiene unos 10.000 millones de estrellas, como nuestro propio sol", contó Dekel. "Este sorprendente descubrimiento ha llevado a los investigadores a considerar varias explicaciones para este fenómeno, que van desde la posibilidad de que la estimación del número de estrellas en las galaxias sea exagerada, hasta la necesidad de cambios críticos en el modelo cosmológico estándar del Big Bang", agregó.
Según la teoría aceptada de la formación de galaxias, apoyada por las observaciones del universo más reciente y las simulaciones por ordenador, las fuerzas gravitatorias provocan el colapso del gas disperso en el universo en nubes esféricas masivas de materia oscura, donde se transforma en estrellas brillantes, como nuestro sol. Así es como se formaron las galaxias en todo el universo, incluida la Vía Láctea, donde se encuentra nuestro sistema solar. Sin embargo, la teoría y las observaciones han demostrado hasta ahora que la eficiencia de la formación estelar en las galaxias es baja, ya que sólo alrededor del 10% del gas que fluye hacia las nubes se convierte realmente en estrellas.
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El profesor Avishai Dekel, del Instituto de Física Racah de la Universidad Hebrea, ha sugerido una solución a cómo se formaron las primeras galaxias.
(Michael Yakirevich)
"La mayor parte del gas no forma estrellas porque se calienta e incluso es expulsado fuera de las galaxias debido a los vientos y a las explosiones de supernova de las estrellas que consiguen formarse primero", explicó Dekel.
Si es así, ¿cómo es posible que hubiera tantas estrellas en las galaxias durante el universo primitivo?
Según los investigadores de la Universidad Hebrea, las condiciones únicas que reinaban en las primeras galaxias permitieron que todo el gas se convirtiera eficientemente en estrellas sin la perturbación de vientos estelares o explosiones de supernovas. Esto se debe a que tales explosiones se producen sólo dos millones de años después del estallido de la formación estelar, después de que las estrellas masivas agoten el combustible de su núcleo (principalmente hidrógeno) y terminen su vida en explosiones.
Cuando la abundancia de elementos pesados es baja, incluso los vientos previos a la explosión dejan pasar una "ventana de oportunidad" similar de unos dos millones de años antes de hacerse efectivos.
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El telescopio espacial James Webb ha revelado un exceso de galaxias masivas en el universo.
(NASA)
"En las primeras etapas del universo, las nubes de formación estelar eran más densas, lo que permitía un rápido colapso del gas en su interior y su transformación en estrellas en menos de un millón de años, dentro de la ventana de oportunidad", explicó Dekel. "Esto dio lugar de forma natural a la alta eficiencia de la formación estelar a partir del gas sin perturbaciones por explosiones o vientos de estrellas más viejas".
Los investigadores demuestran que este fenómeno sólo se produjo de forma natural durante el período inicial, menos de 600 millones de años después del Big Bang, y se limitó a galaxias con más de 10.000 millones de masas solares. Según Dekel, cada galaxia de este tipo debería contener unos 10.000 cúmulos de un millón de masas solares cada uno.
Los investigadores denominan al proceso propuesto "estallido estelar sin retroalimentación" (FFB, por sus siglas en inglés). El nuevo modelo ofrece predicciones observacionales claras, que ya empiezan a confirmarse con nuevas observaciones desde telescopios espaciales.
Las conclusiones de la investigación también tienen importantes implicaciones para la evolución de las galaxias a lo largo de todos los periodos.
Por ejemplo, el escenario propuesto explica la formación eficiente de agujeros negros de tamaño intermedio (en torno a mil masas solares) en los centros de las primeras acumulaciones. Estos agujeros negros pueden fusionarse más tarde y crecer hasta convertirse en supermasivos (de hasta mil millones de masas solares), como se observa en los centros de las grandes galaxias unos 500 millones de años después. Este escenario también puede explicar el misterio de la existencia de los agujeros negros supermasivos, que es un tema intrigante pendiente de resolución en la investigación cosmológica.
"Nuestra intención es examinar estas implicaciones y otras consecuencias importantes en futuros estudios", concluyó Dekel.
