Galaxias Imposibles (?)

El telescopio espacial James Webb (JWST) no ha decepcionado. Además de las maravillosas imágenes (para muestra un botón), en pocos meses de funcionamiento ha producido múltiples resultados que han llevado a algún/a astrónomo/a exaltado/a –y sobre todo a la prensa– a gritar IMPOSIBLE!

En realidad, cuando dicen imposible quieren decir más bien algo así como: "esto no calza no lo que creíamos saber sobre el Universo". Y hay pocas cosas que emocionen más a un/a científico/a que descubrir algo que se pensaba imposible. El primer ejemplo que se me viene a la cabeza es el descubrimiento de la expansión acelerada del Universo en los años 90s. Ya se sabía que el Universo se expandía, el plan era medir la expansión con la mayor precisión posible. Sin que nadie lo esperara, se encontraron con que la expansión no era constante, estaba acelerando! Literalmente hubo que re-escribir los libros de cosmología.

Ahora, con JWST entregando datos de una calidad sin precedentes, muchos están ansiosos por encontrar una nueva sorpresa. En esa línea, quizás uno de los resultados de JWST que ha causado más ruido en el último tiempo es el de las llamadas Galaxias Imposibles. ¿Por qué las llaman así? Y más importante aún, ¿son realmente Imposibles?

El estudio

Un equipo liderado por Ivo Labbé, Astrónomo de la Universidad de Swinburne, en Australia, presentó a fines del año 2022, en la revista Nature, un estudio sobre 6 galaxias que desafían nuestro entendimiento del Universo. Se trata de galaxias muy lejanas y a la vez muy masivas. Demasiado lejanas para ser tan masivas.

La luz de las Galaxias presentadas en el estudio fue emitida cuando el Universo tenía menos de 750 millones de años. Incluso, en el caso de la galaxia más lejana, esa luz fue emitida cuando el Universo tenía menos de 400 millones de años. Si bien 400 millones de años es un tiempo nada despreciable, hay que recordar que el Universo tiene casi 14 mil millones de años, y que nuestro propio Sol, por ejemplo, tiene más de 5 mil millones de años. Es decir, estamos observando la luz de galaxias que existieron cuando el Universo era muy –muy– joven. Más aún, según nuestras mejores teorías, las primeras galaxias no se formaron hasta que el Universo tenía al menos unos 200 millones de años. Es decir, las galaxias que Labbé y colaboradores encontraron, tuvieron apenas entre 200 y 500 millones de años para formarse y acumular toda su masa. ¿De cuánta masa estamos hablando?

El estudio estima que la masa de estas galaxias fluctúa entre las 10⁹ y  10¹⁰ veces la masa de nuestro Sol. Es decir, estas galaxias tienen el equivalente en masa a entre mil millones y diez mil millones de Soles. No todas las estrellas son iguales al Sol, hay algunas pocas que son mucho más grandes, y muchas otras que son mucho más pequeñas (esto será importante luego). De todos modos, el asunto es que estas galaxias acumularon el equivalente en masa a aproximadamente el 10% de toda la masa de nuestra galaxia, pero lo hicieron en sólo un 2% del tiempo (comparado con nuestra galaxia).

El Problema

Bueno, las galaxias esas crecieron rápido. Me imagino que Saquille O'Neal también y nadie se puso a cuestionar la biología. ¿Cuál es el problema? El problema es que al parecer, y hasta donde entendemos, no hay suficiente masa ni en todo el Universo junto para crear estas galaxias. Al menos eso es lo que dice otro estudio, presentado poco después del estudio de Labbé, por Mike Boylan-Kolchin (MBK) y sus colaboradores.

Lo anterior puede parecer raro. Nuestra propia galaxia, por sí sola, tiene casi tanta masa como todas las Galaxias Imposibles combinadas, así que suficiente masa en el Universo hay, ¿a qué se refiere MBK entonces?

Cuando el Universo recién comenzó, antes de que se formaran las primeras estrellas y galaxias, la masa del Universo estaba muy desparramada. Había un poco más de masa en algunos lugares que en otros pero las diferencias eran minúsculas. Con el tiempo, esas diferencias fueron creciendo y en los lugares donde había más masa, la gravedad fue atrayendo todavía más masa y al cabo de un tiempo se comenzaron a formar las primeras estrellas y galaxias en esos lugares. Esto tomó un tiempo, eso sí, de ahí viene la idea de que las primeras galaxias se demoraron al menos 200 millones de años en formarse. El tiempo que tomó formar las primeras estructuras es algo que depende de nuestro "modelo cosmológico". Este modelo incluye elementos como el Big-Bang, la existencia de materia oscura, energía oscura y otros ingredientes, y lo llamamos ΛCDM (Lambda CDM - Lambda Cold Dark Matter) . Este modelo ΛCDM ha sido construido y refinado a lo largo de décadas de investigación y, si bien de vez en cuando aparece evidencia en su contra, en general se le considera un modelo tremendamente exitoso a la hora de explicar casi todo lo que hemos observado sobre nuestro Universo. MBK se basa en este modelo para calcular cuánta masa existía en estructuras que uno pudiese considerar galaxias cuando el Universo tenía entre 400 y 700 millones de años. Esa cantidad era muy inferior a la masa que hay hoy en día (casi 13 mi millones de años después) en dichas estructuras. Lo que ellos calculan es que en esa época, el total de masa disponible en estas estructuras está por debajo de la masa reportada para las galaxias de Labbé y compañía. Según MBK, nuestro mejor modelo cosmológico no tiene suficiente masa para que esas galaxias puedan existir tan temprano en la historia del Universo, serían entonces... imposibles.

Antes de ponerse a quemar los libros de cosmología para escribir otros nuevos, vale la pena darle una segunda mirada al asunto. Después de todo, el modelo funciona espectacularmente bien para explicar muchísimas observaciones. ¿Qué más puede estar pasando acá?

Para reconciliar las observaciones de estas galaxias (quizás) imposibles con nuestro mejor modelo del Universo, podemos partir por considerar al menos 2 incertidumbres para nada pequeñas desde el punto de vista de las observaciones: la distancia y la masa de las galaxias.

El problema de la distancia

La distancia a una galaxia, sobre todo a una galaxia lejana como las que nos preocupan en este caso, se estima de una manera que puede parecer muy indirecta. Lo que se usa es la expansión (acelerada) del Universo.

En nuestro Universo, las galaxias se están alejando unas de otras. Mientras más lejos, más rápido. La relación entre velocidad y distancia es la que calibraron en los años 90s quienes descubrieron la expansión acelerada del Universo. Gracias a esa calibración, ahora basta con medir la velocidad con la que se aleja una galaxia lejana, para tener una estimación de su distancia. Y la velocidad es algo que podemos medir, pero la precisión de esa medida depende del tipo de observaciones.

Para medir la velocidad de una galaxia relativa a nosotros, sacamos provecho del llamado efecto Doppler. Cuando el origen, es decir, la fuente de una onda (que puede ser de sonido, por ejemplo), se está acercando a nosotros, percibimos la onda emitida como si viniera con una longitud de onda más corta que la emitida originalmente. Si la fuente se aleja, la longitud de onda la percibimos más larga: estirada. Un ejemplo más o menos conocido es el de los autos de la fórmula uno. En las transmisiones de televisión, cuando los autos se acercan a la cámara, el sonido parece agudo, pero una vez que pasan y se empiezan a alejar, el sonido se vuelve grave. El sonido del motor es siempre el mismo desde el punto de vista del piloto, pero para el observador que lo ve acercarse y luego alejarse el sonido cambia porque la longitud de onda percibida cambia.

En el caso de una galaxia, la onda que importa es la luz. Cuando la galaxia se aleja, las longitudes de onda de la luz que emite, las percibimos como si fueran más largas. Mientras mas rápido, más largas. Y además, debido a la expansión del Universo, sabemos que mas rápido significa más lejos.

Para poder saber exactamente qué tanto más larga es que estamos percibiendo la onda de luz de una galaxia, necesitamos una buena referencia. Las mejores referencias provienen de la espectroscopía: la técnica que consiste en separar la luz en sus componentes (en las distintas longitudes de onda), lo que se puede lograr haciendo pasar la luz por un prisma, por ejemplo. Para estas galaxias, esa información no esta disponible, lamentablemente (aunque se acaban de aprobar nuevas observaciones de JWST que proveerán datos espectroscópicos para estas galaxias). Lo que Labbé y sus colaboradores usaron es la mejor alternativa disponible, que consiste en tomar observaciones en varios "rangos gruesos" de longitud de onda. Algo así como medir toda la luz roja, toda la luz azul, etc., y a partir de eso tratar de reconstruir qué tan estirada está la luz que estamos midiendo. Esta técnica resulta mucho menos precisa y puede llevar a errores.

Algo que podría estar pasando, al menos para algunas de estas galaxias, es que las longitudes de onda de referencia que se están utilizando para medir su velocidad, y por ende su distancia, estén mal identificadas. Los detalles los explicaré mejor algún día en otro artículo pero el resultado es que las distancias podrían estar muy sobre-estimadas. Por ejemplo, la galaxia cuya luz fue emitida 400 años después del Big-Bang, según el artículo de Labbé, en realidad podría haber emitido su luz 1.500 millones de años después del Big-Bang. Es decir, las galaxias estarían todavía lejos, pero mucho más cerca de lo reportado. Al estar más cerca ocurren dos cosas: la primera es que en realidad tienen menos masa, porque se necesitan menos estrellas para alcanzar el mismo brillo si se les pone más cerca; la segunda es que existieron cuando el Universo ya había tenido tiempo de evolucionar mucho más, y por lo tanto había mucha más masa "disponible" para hacer galaxias. Si este fuera el caso, estas galaxias ya no serían "imposibles".

El problema de la masa

Suponiendo que las distancias están bien estimadas en el artículo de Labbé, existe todavía otra incertidumbre importante. Estimar la masa de una galaxias, y sobre todo de una galaxia muy lejana, no es asunto sencillo. La técnica para hacerlo consiste en tratar de "adivinar" cuántas estrellas tiene la galaxia. Dada una cierta población de estrellas, se puede estimar cómo se vería una galaxia que estuviera formada por esas estrellas. Luego, se puede comparar esta imagen esperada con las observaciones reales para ver si acertamos. Hay muchas variables involucradas pero un artículo reciente pone el foco en una de ellas. Resulta que cuando se forman las estrellas a partir de una nube de gas, no todas las estrellas que se forman son iguales. Típicamente se forman muy pocas estrellas grandes y muchísimas estrellas pequeñas. A la proporción de estrellas grandes comparada con estrellas pequeñas se le llama la Función Inicial de Masa estelar. Hay algunas mediciones de esta proporción, pero todas se han hecho en nubes de gas que están formando estrellas relativamente cerca de nosotros.

Variaciones en la IMF

Existen motivos para pensar que la distribución de masas de las estrellas recién nacidas no fue siempre la misma. Un artículo reciente de Charles Steinhardt, argumenta que muy al principio el Universo estaba mucho más caliente que hoy. El Universo se ha ido enfriando con el tiempo desde el Big-Bang y ahora solo tiene 2.7 grados Kelvin pero estas galaxias existieron en un momento en que el Universo estaba mucho más caliente. Al estar más caliente, las condiciones del gas a partir del cual se forman las estrellas son distintas, está más caliente en general y eso tiene consecuencias. En particular, los autores estiman que deberían formarse muchas menos estrellas pequeñas que en una nube más fría como las que existen hoy en día en el Universo. Esto es importante porque las estrellas más pequeñas son numerosas y aportan mucha masa, pero su luz es más "roja" que la de las estrellas grandes: es decir, las estrellas pequeñas hacen su aporte a longitudes de onda largas. De hecho, la mayor parte de su luz se vería a longitudes de onda tan largas que ni JWST podría observarlas en estas galaxias tan lejanas. Dicho de otra forma, podemos cambiar el número de estrellas pequeñas y no nos daríamos cuenta porque las observaciones de JWST serían casi iguales. Al haber menos estrellas pequeñas, las galaxias tendrían menos masa –mucha menos–. Los autores argumentan que esto podría resolver el problema pues las galaxias Imposibles, tendrían en realidad 100 veces menos masa que la reportada y calzarían sin problemas dentro de nuestro entendimiento sobre el Universo. No habría necesidad de tirar los libros a la basura aún.

La explicación podría ser tentadora pero los detalles aún son muy inciertos. La IMF que se propone es difícil de corroborar a través de observaciones. Los argumentos utilizados para concluir que debería haber menos estrellas pequeñas son razonables, pero los detalles no están claros, los autores proponen un rango amplio de posibilidades pero todas predicen diferencias que se verían a longitudes de onda que no podemos detectar (al menos no por ahora).

Si es que esta galaxias son realmente Imposibles o no, todavía está por verse. Lo interesante, creo yo, es que independientemente de la respuesta final, algo nuevo vamos a aprender. Podría ser algo relativamente aburrido, como aprender que tenemos que tener mucho más cuidado al estimar las incertidumbres en las distancias a estas galaxias tan lejanas; o algo un poco más específico pero muy importante en astronomía, como que la IMF era muy distinta al principio del Universo; ó, y esto aún no lo descarto, podría ser que realmente tenemos que repensar nuestras ideas sobre el origen y evolución del Universo y sobre cómo se formaron las primeras estrellas y galaxias.

PD: Mientras escribía este artículo, me econtre con 2 estudios recientes: uno con nuevas simulaciones cosmológicas que al parecer podría acomodar la existencia de estas galaxias imposibles aún si las masas estuviesen bien calculadas; el otro, sugiere que la luz de al menos una de estas galaxias, en realidad proviene de un objeto llamado AGN (un agujero negro tragando nubes de gas). Quizás escriba al respecto pronto, por ahora, lo interesante es darse cuenta de lo rápido que está cambiando nuestro conocimiento sobre las primeras etapas del Universo.