Descubren un extraño punto rojo en el espacio que desafía la explicación científica

En el verano de 2022, el Telescopio Espacial James Webb (JWST) comenzó a enviar sus primeras imágenes científicas, revelando un patrón inesperado: pequeños puntos rojos dispersos en sus observaciones. Estos objetos compactos y ultrarrojos aparecieron con una claridad sorprendente gracias a la sensibilidad del JWST, y su número superó las expectativas. Su descubrimiento sugirió la existencia de una nueva población de fuentes celestiales distantes que el Telescopio Espacial Hubble no había podido detectar.

Los datos de seguimiento confirmaron que estos objetos eran extraordinariamente distantes. Incluso los más cercanos habían tardado 12 mil millones de años en enviar su luz, lo que significa que los observamos tal como eran hace 12 mil millones de años, aproximadamente 1.8 mil millones de años después del Big Bang.

Teorías iniciales apuntan a galaxias masivas y jóvenes

Este descubrimiento planteó preguntas complejas. Para interpretar cualquier observación astronómica, los investigadores dependen de modelos que describen cómo deberían lucir diferentes tipos de objetos. Los astrónomos pueden identificar una estrella con confianza porque entienden que son esferas de plasma gigantes mantenidas por la gravedad, generando energía a través de la fusión nuclear. Sin embargo, los pequeños puntos rojos no encajaban en ninguna categoría familiar, lo que llevó a los astrónomos a considerar explicaciones más extremas.

Una de las primeras propuestas sugirió que estos objetos eran galaxias inusualmente densas, llenas de enormes cantidades de estrellas, con su color rojizo causado por capas gruesas de polvo. Para visualizar esta densidad, se puede imaginar colocar el sistema solar dentro de un cubo de un año luz de lado. En nuestra región del espacio, ese cubo contendría solo el Sol, mientras que en las galaxias propuestas, contendría cientos de miles de estrellas.

En la Vía Láctea, solo el núcleo central tiene densidades de estrellas remotamente comparables, y esa región aún contiene solo aproximadamente una milésima parte de las estrellas necesarias para los modelos de los pequeños puntos rojos. Si estas galaxias realmente albergaran cientos de miles de millones de masas solares en estrellas menos de mil millones de años después del Big Bang, desafiaría las teorías básicas sobre cómo se forman las galaxias. Como señala el coautor Bingjie Wang de la Universidad Estatal de Pensilvania, "El cielo nocturno de tal galaxia sería deslumbrantemente brillante. Si esta interpretación es correcta, implica que las estrellas se formaron a través de procesos extraordinarios que nunca se han observado antes."

¿Galaxias o núcleos galácticos activos? Un debate científico

Rápidamente surgió un debate. Algunos investigadores favorecieron la idea de galaxias ricas en estrellas y cargadas de polvo, mientras que otros argumentaron que los pequeños puntos rojos eran en realidad núcleos galácticos activos oscurecidos por grandes cantidades de polvo. Los núcleos galácticos activos ocurren cuando el material gira hacia el agujero negro central de una galaxia, formando un disco de acreción extremadamente caliente. Sin embargo, esta interpretación también enfrentó problemas. Los espectros de los pequeños puntos rojos diferían significativamente de los núcleos galácticos activos conocidos, y el escenario requería que estos objetos albergaran agujeros negros supermasivos con masas extremadamente grandes, y muchos más de los esperados, considerando cuántos pequeños puntos rojos detectó el JWST.

A pesar de sus desacuerdos, los astrónomos coincidieron en un punto: para resolver el misterio, necesitaban más datos. Las primeras observaciones del JWST ofrecieron imágenes, pero entender la física requería espectros, que revelan cuánta luz emiten los objetos a diferentes longitudes de onda. Asegurar tales observaciones es un desafío porque el tiempo en los telescopios importantes es muy competitivo. Una vez que la importancia de los pequeños puntos rojos se hizo evidente, muchos grupos comenzaron a solicitar tiempo de observación. Una de esas propuestas exitosas fue el programa RUBIES, liderado por Anna de Graaff del Instituto Max Planck de Astronomía, que significa "Red Unknowns: Bright Infrared Extragalactic Survey".

El estudio RUBIES descubre un ejemplo extremo

Entre enero y diciembre de 2024, el equipo RUBIES utilizó casi 60 horas de tiempo del JWST para recopilar espectros de 4500 galaxias distantes, produciendo uno de los conjuntos de datos espectroscópicos más grandes del JWST hasta la fecha. Según Raphael Hviding del MPIA, "En ese conjunto de datos, encontramos 35 pequeños puntos rojos. La mayoría de ellos ya habían sido encontrados utilizando imágenes del JWST disponibles públicamente. Pero los que eran nuevos resultaron ser el objeto más extremo y fascinante." El descubrimiento más notable ocurrió en julio de 2024: un ejemplo extraordinariamente distante que llamaron "The Cliff", cuya luz viajó 11.9 mil millones de años para alcanzarnos (corrimiento al rojo z=3.55). Sus propiedades sugirieron que era un representante especialmente intenso de la población de pequeños puntos rojos y, por lo tanto, un objeto crucial para probar cualquier teoría sobre ellos.

The Cliff recibió su nombre debido a una característica dramática en su espectro. En lo que normalmente sería la región ultravioleta, el espectro mostró un aumento muy pronunciado. Debido a la expansión del universo, esa longitud de onda se estiró a casi cinco veces su valor original, colocándola en el infrarrojo cercano, un proceso denominado corrimiento al rojo cosmológico. Este aumento repentino se conoce como "ruptura de Balmer". Las rupturas de Balmer aparecen en galaxias ordinarias, especialmente en aquellas que forman pocas o ninguna estrella nueva, pero son mucho más débiles que lo que se observó en The Cliff.

Poniendo a prueba todas las explicaciones conocidas

La ruptura de Balmer inusualmente aguda colocó a The Cliff en desacuerdo con ambas interpretaciones principales para los pequeños puntos rojos. De Graaff y sus colegas probaron una amplia gama de modelos de galaxias y núcleos galácticos activos contra el espectro del objeto, intentando reproducir sus características. Todos los modelos fallaron.

Anna de Graaff afirmó: "Las propiedades extremas de The Cliff nos obligaron a volver a la mesa de dibujo y a idear modelos completamente nuevos." Alrededor de este tiempo, un estudio de septiembre de 2024 de investigadores en China y el Reino Unido sugirió que algunas características de ruptura de Balmer podrían provenir de fuentes distintas a las estrellas. El equipo de De Graaff había comenzado a considerar una idea relacionada. Las rupturas de Balmer pueden aparecer en los espectros de estrellas jóvenes y muy calientes, así como en galaxias que contienen muchas de estas estrellas. Curiosamente, The Cliff se asemejaba más al espectro de una estrella muy caliente que al de una galaxia entera.

Surge un nuevo modelo: la estrella agujero negro (BH*)

Basándose en esa idea, De Graaff y sus colaboradores introdujeron un nuevo concepto que denominaron "estrella agujero negro", escrito como BH*. En este modelo, el motor central es un núcleo galáctico activo que contiene un agujero negro supermasivo con un disco de acreción, pero en lugar de polvo, todo el sistema está envuelto en una capa densa de gas hidrógeno que enrojece la luz emitida. Los objetos BH* no son verdaderas estrellas porque carecen de fusión nuclear en sus centros. El gas a su alrededor también es mucho más turbulento que cualquier cosa encontrada en la atmósfera de una estrella normal. Sin embargo, la situación física básica es comparable. El núcleo galáctico activo calienta la envoltura de gas circundante de una manera que se asemeja a cómo la fusión calienta las capas externas de una estrella, produciendo una apariencia similar.

Los modelos presentados por el equipo sirven como pruebas tempranas de concepto. No son aún coincidencias perfectas con los datos, pero reproducen las características observadas con más éxito que cualquier modelo anterior. El aumento pronunciado en el espectro que inspiró el nombre de The Cliff puede explicarse por una envoltura de gas densa, esférica y turbulenta alrededor de un núcleo galáctico activo. Si esta interpretación es correcta, The Cliff representaría un caso extremo dominado por la estrella agujero negro central, mientras que los otros pequeños puntos rojos contendrían mezclas variables de luz BH* y luz de estrellas y gas circundantes.

Implicaciones para el rápido crecimiento temprano de galaxias

Si los objetos BH* son reales, podrían ayudar a aclarar otro rompecabezas de larga data. Trabajos teóricos anteriores sobre agujeros negros de masa intermedia algo más pequeños habían sugerido que una configuración envuelta en gas como esta podría permitir un crecimiento muy rápido de agujeros negros en el universo temprano. El JWST ya ha revelado evidencia de agujeros negros inusualmente masivos en tiempos tempranos. Si las estrellas agujero negro supermasivas crecen de manera similar, podrían proporcionar un nuevo mecanismo para explicar ese crecimiento rápido. Aún no está claro si los objetos BH* pueden lograr esto, pero si pueden, influiría significativamente en los modelos de evolución de galaxias tempranas.

A pesar de estos prometedores hallazgos, se necesita cautela. Los resultados son completamente nuevos y siguen la práctica estándar de informar sobre el trabajo científico solo después de su aceptación por revistas revisadas por pares. La aceptación general de estas ideas dependerá de la evidencia adicional que se reúna en los próximos años.

Misterios restantes y futuras observaciones

Los nuevos hallazgos marcan un paso importante, ofreciendo el primer modelo capaz de explicar la ruptura de Balmer extrema de The Cliff. Sin embargo, también plantean nuevas preguntas. ¿Cómo podría formarse una estrella agujero negro en primer lugar? ¿Qué permite que su inusual envoltura de gas persista durante largos períodos (especialmente dado que el agujero negro consume el gas y debe ser repuesto de alguna manera)? ¿Cómo surgen las otras características espectrales de The Cliff?

Abordar estas cuestiones requerirá tanto modelado teórico como más observaciones. El equipo de De Graaff ya tiene observaciones de seguimiento del JWST programadas para el próximo año, enfocándose en The Cliff y otros pequeños puntos rojos especialmente interesantes.

Estos estudios futuros ayudarán a determinar si las estrellas agujero negro realmente jugaron un papel en la formación de las primeras galaxias. La posibilidad es intrigante, pero aún está lejos de resolverse.

Antecedentes y equipo de investigación

El trabajo descrito aquí ha sido aceptado para su publicación como A. de Graaff et al., "Una rubí notable: La absorción en gas denso, en lugar de estrellas evolucionadas, impulsa la ruptura de Balmer extrema de un pequeño punto rojo en z = 3.5" en Astronomía y Astrofísica. Un artículo complementario liderado por Raphael Hviding, que presenta la muestra más amplia de pequeños puntos rojos del estudio RUBIES, también ha sido publicado en la misma revista bajo el título "RUBIES: Un censo espectroscópico de pequeños puntos rojos - Todas las fuentes puntuales con continuidades en forma de v tienen líneas anchas."

Los investigadores involucrados incluyen a Anna de Graaff, Hans-Walter Rix y Raphael E. Hviding del Instituto Max Planck de Astronomía, junto con Gabe Brammer (Centro de Amanecer Cósmico), Jenny Greene (Universidad de Princeton), Ivo Labbe (Universidad de Swinburne), Rohan Naidu (MIT), Bingjie Wang (Universidad Estatal de Pensilvania y Universidad de Princeton), y otros colaboradores.

Temas