Astrofísicos de la Universidad Hebrea de Jerusalén han publicado en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society un nuevo modelo teórico que resuelve el misterio de la formación de las primeras galaxias masivas del universo.
Los hallazgos explican de forma natural las recientes observaciones realizadas con el telescopio espacial James Webb (JWST), que revelaron un sorprendente exceso de galaxias masivas en el universo -ya en los primeros 500 millones de años tras el Big Bang-, en contra de la teoría comúnmente aceptada.
El telescopio James Webb fue lanzado al espacio a finales de 2021 y comenzó a producir imágenes de galaxias lejanas ya en julio de 2022.
Los investigadores descubrieron inesperadamente un exceso de galaxias masivas en el universo primitivo en comparación con el número de galaxias esperado según la teoría común.
Según el modelo propuesto por los investigadores, las condiciones especiales que reinaban en las galaxias primigenias, de alta densidad y baja abundancia de elementos pesados, permitieron la formación de estrellas con gran eficiencia sin interferencia de otras estrellas. El equipo de investigación, del Instituto de Física Racah de la Universidad Hebrea, estaba dirigido por el profesor Avishai Dekel, con el Dr. Kartick Sarkar, el profesor Yuval Birnboim, el Dr. Nir Mandelker y el Dr. Zhaozhou Li.
«Ya en los primeros 500 millones de años, los investigadores identificaron galaxias que contienen cada una unos diez mil millones de estrellas como nuestro Sol», comparte el profesor Dekel. «Este descubrimiento sorprendió a los investigadores que trataron de identificar explicaciones plausibles para el enigma, que van desde la posibilidad de que la estimación observacional del número de estrellas en las galaxias sea exagerada, hasta sugerir la necesidad de cambios críticos en el modelo cosmológico estándar del Big Bang».
Según la teoría predominante de la formación de galaxias, la gravedad hace que el gas disperso en el universo colapse en los centros de gigantescas nubes esféricas de materia oscura, donde se convierte en estrellas luminosas, como el Sol. Sin embargo, la teoría y las observaciones realizadas hasta la fecha han demostrado que la eficiencia de la formación estelar en las galaxias es baja, ya que sólo alrededor del 10 por ciento del gas que cae en las nubes se convierte en estrellas. Esta ineficacia se debe a que el gas restante se calienta o es expulsado de las galaxias bajo la influencia de los vientos y las explosiones de supernovas de las estrellas que consiguen formarse primero. Esto contradice las recientes indicaciones del JWST sobre la creación de grandes cantidades de estrellas en poco tiempo.
En este estudio, el profesor Dekel y su equipo proponen un proceso denominado «estallido estelar sin retroalimentación» (FFB, por sus siglas en inglés), que explica naturalmente el misterio. En las condiciones únicas que prevalecen en las galaxias primitivas, el gas se convierte eficazmente en estrellas sin verse perturbado por procesos de retroalimentación. Esta idea se basa en un retraso de más de un millón de años entre la formación de estrellas masivas y sus posteriores explosiones como supernovas. Antes del enriquecimiento del gas por los elementos pesados producidos en las estrellas, los investigadores sugieren que las nubes de formación estelar del denso universo primitivo tenían una densidad superior a un umbral que permitía el rápido colapso del gas en estrellas dentro de la «ventana de oportunidad» de un millón de años. Este proceso de formación estelar de alta eficiencia en ausencia de retroalimentación explica el exceso observado de galaxias masivas.
«La publicación de esta investigación supone un importante paso adelante en nuestra comprensión de la formación de galaxias masivas primordiales en el universo y, sin duda, dará lugar a nuevas investigaciones y descubrimientos», concluye el profesor Dekel.
«Las predicciones de este modelo se pondrán a prueba utilizando las nuevas observaciones acumuladas del Telescopio Espacial Web, donde parece que algunas de estas predicciones ya están confirmadas».
Dekel añade que en futuros estudios se investigarán importantes implicaciones del escenario FFB propuesto. Entre ellas, la formación eficiente de agujeros negros semilla de mil masas solares en los centros de los cúmulos de formación estelar FFB, que son una clave para explicar los sorprendentes agujeros negros supermasivos de mil millones de masas solares observados en centros de galaxias 500 millones de años después.