Galaxias lejanas

Tengo el gusto de participar del Comité Organizador de la conferencia internacional Distant Galaxies from the Far South. El evento reunirá, en la ciudad de Bariloche, a los capos mundiales del estudio de las galaxias más lejanas y que, por lo tanto, vemos tal como eran de bebés, cuando el universo era joven y muy distinto que hoy en día. Adivinen quién hizo la composición fotográfica para el póster:

La conferencia es una iniciativa de Karina Caputi, graduada en Física del Instituto Balseiro y doctora en Astronomía. Actualmente es Profesora de Astronomía en la Universidad de Groningen, Holanda. Se dedica a estudiar cómo se formaron y evolucionaron las galaxias cuando el universo era joven. Karina me contactó el año pasado para que la ayudara a organizar su propuesta. Inmediatamente dije que sí, y convoqué a otra astrónoma barilochense, Mariana Orellana de la Universidad de Río Negro, para hacerlo juntos.

Aunque se trata de un evento científico para especialistas, lo cuento aquí porque habrá dos buenísimas charlas públicas de divulgación. Si estás en (o cerca de) Bariloche, y te interesa la astronomía, no te las podés perder:

The James Webb Space Telescope, a cargo del Dr. Matt Greenhouse (NASA, Goddard Space Center, USA). LA CHARLA SERÁ EN INGLÉS.
Martes 12 de diciembre, 19:00 horas. Bariloche Eventos y Convenciones, España 415, entrada libre y gratuita.

Matt, doctor en Astronomía por la Universidad de Wyoming, es nada menos que el responsable de la instrumentación científica a bordo del Telescopio Espacial Webb, que será el mayor telescopio espacial al momento de su lanzamiento (planeado para abril de 2019). El telescopio Webb forma parte de una nueva generación de telescopios espaciales y será el sucesor del famoso Telescopio Hubble. Segurmente revolucionará la astronomía y la cosmología del mismo modo que lo hizo el Hubble hace más de 25 años. Como se ve en la foto del equipo junto a un modelo de tamaño real, ¡es gigante! Estoy seguro de que Matt está ahí, pero no logro identificarlo.

Las Primeras Galaxias del Universo, a cargo de la Prof. Karina Caputi (Universidad de Groningen, Países Bajos).
Sábado 16 de diciembre, 14:30 horas. Biblioteca Sarmiento (Centro Cívico), entrada libre y gratuita.

Algo que aprendimos a lo largo del siglo XX es que el universo no fue siempre igual: evolucionó, y lo sigue haciendo, a partir de un estado extremadamente denso y caliente, y todavía está expandiéndose y enfriándose. El universo joven era muy distinto del que vemos a nuestro alrededor: no había estrellas ni galaxias, sólo hidrógeno, helio y radiación. ¿Cómo llegó a ser como lo conocemos? ¿Cómo se formaron las primeras estrellas, las primeras galaxias? ¿Cómo eran, y cómo llegaron a ser como la Vía Láctea? Aquellas galaxias bebé era mucho más chiquitas, y su luz está tan estirada en su largo viaje hasta nosotros que ni siquiera el Telescopio Hubble (que llega a pispear en el infrarrojo cercano) alcanza a verlas bien. Hará falta el Telescopio Webb, diseñado para ver en infrarrojo.

En cambio sus estrellas (sospechamos) pueden haber sido mucho mayores que las más grandes estrellas que vemos a nuestro alrededor, que pesan a lo sumo unas 260 veces más que el Sol. ¿Fue realmente así? Esas estrellas de puro hidrógeno y helio, ¿pueden haber pesado como 500 soles? ¿1000? ¿2000? No lo sabemos. Tanto los astrónomos observacionales como teóricos están preparándose para la nueva era del Telescopio Webb y los nuevos telescopios gigantes en la superficie de la Tierra, varios de ellos ya en construcción.

Y estas galaxias súper distantes, súper jóvenes, súper chiquitas, ¿tenían ya grandes agujeros negros en su centro? ¿En qué momento, y cómo, los desarrollaron o los adquirieron? ¿O fue al revés, y las galaxias se formaron alrededor de ellos? Hay montones de cosas que ignoramos sobre aquellas lejanas épocas. A diferencia de la historia de nuestro mundo, el pasado del universo está a la vista gracias a los telescopios, verdaderas máquinas del tiempo que nos revelan, con cada avance tecnológico, no sólo las respuestas a nuestas preguntas, sino fenómenos inesperados y nuevos misterios para resolver.

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La imagen de la ciudad de Bariloche con la galaxia Centaurus A es una composición mía, basada en fotos también mías. La foto de Karina es suya. La del equipo del Telescopio Webb es de la NASA, así como la comparación de galaxias similares a la Vía Láctea, a distintas edades, que está basada en imágenes del Telescopio Espacial Hubble (NASA/ESA/STScI).

Amina Helmi y la evolución de la Vía Láctea

En el blog hemos comentado más de una vez que las galaxias evolucionan. Esto no es algo que siempre se haya sabido: cuando yo era chico, las galaxias estaban ahí en el cielo, desde siempre, tranquilas y haciendo su vida estelar. Hoy sabemos que chocan, explotan en estrellas, se apagan, y mucho más. Buena parte de esto lo hemos aprendido a partir de las imágenes del telescopio espacial Hubble, que en la década de 1990 empezó a mostrarnos galaxias en todas las situaciones posibles de colisión:

Además, tenemos una galaxia muy cerca, tan cerca que estamos adentro. ¿Habría chocado también la Vía Láctea, en algún momento de su milenaria existencia? ¿Podríamos detectarlo observando cómo se mueven las estrellas a nuestro alrededor? También lo hemos comentado, y hoy sabemos que sí, que la Vía Láctea se formó y creció hasta convertirse en una gran galaxia chocando con otras, y fundiéndose con sus poblaciones estelares. Lo que yo no sabía es que la descubridora crucial de estos fenómenos fue una chica argentina, de Bahía Blanca, graduada en la Universidad de La Plata: Amina Helmi.

Tiene un nombre inusual en Argentina, y tal vez por eso nunca había reconocido su origen. A fines de los noventas, mientras trabajaba en su doctorado en Leiden, Amina descubrió que una gran parte de las estrellas del bulbo de la Vía Láctea provenían de otra galaxia, una sola, que había colisionado con la nuestra en una época temprana de su formación. Esta galaxia era más pequeña que la Vía Láctea, y probablemente se parecía a la Enana de Sagitario, una de nuestras galaxias satélites, que había sido descubierta poco antes.

Helmi descubrió la evidencia de este choque en el movimiento tridimensional de las estrellas, catalogado por primera vez de manera masiva por el satélite europeo HIPPARCOS. Su trabajo consolidó una visión que empezaba a formarse en esos años: que las grandes galaxias se forman ensamblando precursoras pequeñas, que pasan a integrar buena parte de su bulbo y su halo, y que delatan su presencia en forma de corrientes (streams). Son como las corrientes marinas en el océano, pero corrientes de estrellas. La que descubrió Helmi se llama, por supuesto, corriente de Helmi. En su tesis complementó el estudio de la corriente estelar con simulaciones numéricas, es decir, experimentos hechos en la computadora, en base a las leyes de la física, para mostrar cómo evolucionan los sistemas estelares dejando estos restos fósiles. La disciplina que ayudó a fundar se llama, hoy en día, arqueología galáctica. Uno de los jóvenes astrónomos de la Universidad de Río Negro en Bariloche, Nico Maffione, trabaja precisamente en estos temas. 

El sucesor de HIPPARCOS fue el telescopio espacial Gaia, del cual también hemos hablado más de una vez, y que está revolucionando varios campos de la astronomía. Resulta que Helmi fue una de las principales científicas en el diseño, desarrollo y verificación de calidad de los datos de Gaia. Fue ella quien descubrió la galaxia llamada "Salchicha de Gaia", la más reciente gran fusión de la Vía Láctea, de la cual me ocupé hace poco y seguramente ahora tendré algo más para contar. Gaia terminó sus observaciones en mayo de este año, y se espera un nuevo monumental catálogo para diciembre de este año. 

¿Y cómo me enteré de que esta notable astrónoma es argentina, graduada de La Plata? Porque este año ganó el prestigioso premio Kavli, de la Academia Noruega de Ciencias, que cada dos años apoya y reconoce (con 1 millón de dólares) trabajos sobresalientes en los campos de la astrofísica, la nanociencia y la neurociencia. Es una especie de complemento de los premios Nobel, para tres ciencias que no suelen figurar entre las que eligen los vecinos suecos (hay excepciones, obviamente). Amina Helmi, definitivamente, revolucionó nuestro conocimiento de la evolución de la Vía Láctea.

 

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Los dos papers iniciales creo que son: Helmi et al., Debris streams in the solar neighbourhood as relicts from the formation of the Milky Way, Nature 402:53-55 (1999), y: Helmi et al., Finding fossils from the Milky Way's formation, capítulo en el libro The Galactic Halo: From Globular Cluster to Field Stars, editado por Noels y otros (Liege, Belgium, 2000).

La tesis es Helmi, The formation of the galactic halo, Universiteit Leiden (2000). Con ella ganó el Premio Christiaan Huygens, que premia tesis doctorales científicas extraordinarias en el país anteriormente llamado Holanda.

La página de Google Scholar de Amina Helmi reporta más de 79 mil citas a sus trabajos, con un índice de impacto de 114. Es un valor excepcional, que la posiciona en el tope a nivel mundial. Para ponerlo en contexto, un valor 20 es bueno, y 40 es extraordinario (el mío es 32). El de mi amiga Karina Caputi, compañera de Helmi en Groningen, es 91, el de mi también amigo Juan Martín Maldacena es 125.  

En la página de la Fundación Kavli hay una buenísima autobiografía, con muchas fotos de su vida en la Argentina. Hay una versión reducida en video también.

La imagen de galaxias en distintas etapas de colisión es de NASA/ESA/HST. 

La foto de Amina Helmi es de su página web en la universidad. 

El esquema de las estructuras de la Vía Láctea está adaptado de éste, del gran artista mendocino Pablo Budassi. 

Los puntitos rojos

Hace apenas cuatro años el Telescopio Espacial Webb comenzó su exploración del universo infrarrojo. Uno de sus principales objetivos es el estudio del universo temprano, hace más de 10 mil millones de años, cuando las galaxias eran jóvenes y el medio intergaláctico era muy distinto del actual. ¿Pero cómo va a observar el pasado? Lo pasado, pisado. El Webb es un telescopio, no una máquina del tiempo. 

Sin embargo, debido a que la luz se propaga a una velocidad finita, siempre observamos el pasado. Como la velocidad de la luz es enorme, esto carece de importancia cuando miro un paisaje, ya que lo veo tal como era hace un diezmilésimo de segundo. Pero cuando observamos un planeta ya lo vemos como era hace algunas horas. Y el universo es tan grande que, cuando el Webb observa esos majestuosos campos de galaxias lejanas, estamos viendo el universo de hace miles de millones de años.

Apenas empezó su campaña, como ocurre con cualquier instrumento revolucionario, aparecieron cosas novedosas e inesperadas. Una de ellas fueron los Puntito Rojos (Little Red Dots), que parecen salpicar el fondo de todas las imágenes profundas del Webb.

Los Puntitos Rojos no encajaban con ninguna expectativa: eran muy luminosos (lo cual sugería enormes masas estelares), muy abundantes, y aparecen en una época muy temprana. Parecía imposible tener "galaxias" tan masivas y tan jóvenes a la vez, ya que las galaxias enormes que vemos en la era actual del universo han crecido fusionándose sucesivamente, a partir de galaxias pequeñas. Y tan "rojas", porque estrellas rojas suele significar estrellas maduras. ¿Qué eran los Puntitos Rojos? No faltaron los medios sensacionalistas (incluso científicamente honestos, sólo que innecesariamente amarillos) que salieron con titulares del tipo "el Webb rompió el universo", o cosas por el estilo.

Una posible explicación de la enorme luminosidad de los Puntitos Rojos era, por supuesto, que se tratase de galaxias muy activas, tipo quasar, en las cuales un agujero negro central está destruyendo materia activamente y emitiendo una enorme cantidad de radiación. Es decir, la luminosidad observada no sería de estrellas, sino del núcleo activo, y la galaxia no necesitaba ser tan masiva como su potencia sugería. La principal objeción a esta explicación era que los quasars tuvieron su momento de gloria ya pasados los primeros mil millones de años de edad del universo. Para explicar la abundancia de Puntitos Rojos en épocas anteriores, lo que sabemos de los quasars parecía insuficiente (insuficiente en un factor 10, más o menos). Además, los Puntitos Rojos emitían muy poca radiación X y radio, comparados con los quasars.

Sorprendentemente rápido (en otros casos, estos misterios requieren décadas para resolverse satisfactoriamente) el panorama se está aclarando.Ya existe suficiente evidencia (principalmente en los espectros de cientos de Puntitos individuales) de que los Puntitos Rojos efectivamente son agujeros negros activos. Tal vez no súper gigantes (las mediciones apuntan a alrededor del millón de masas solares), pero que representan una fracción de masa, con respecto a las estrellas de sus galaxias, mayor que en la actualidad (porque las galaxias eran más chiquitas). También se ve que tuvieron un pico a los 900 millones de años post Big Bang, con menos actividad después y antes, pero que ya estaban allí a los 400 millones de años. La falta de radiación X y radio se debe a que están envueltos en densos capullos de gas ionizado, que recicla la radiación y explica todas las propiedades de sus espectros. En algunos de ellos se aprecia la nebulosidad que los rodea.

Además de la evidencia observacional, se hicieron simulaciones detalladas de los primeros cientos de millones de años del universo (sin nada adicional, los modelos de siempre), y las condiciones son adecuadas para que los primeros agujeros negros (de masas no mucho mayores a las estelares) crezcan de manera descomunal y se conviertan en supermasivos, ya que se encontraban en un medio muy rico en gas. En este gráfico se ve cómo crecen abruptamente (la escala vertical, correspondiente a la masa, es además logarítmica):

Nótese que la simulación corresponde a una época anterior a la que está observando el Webb: redshift veintipico, menos de doscientos millones de años después del Big Bang (creo que la galaxia récord actual está a redshift 14). No sé si el Webb llegará a observar este fenómeno, o si sólo podrá ver lo que está viendo, con estos súper agujeros negros ya formados y radiando como locos. Esto produjo un episodio relativamente breve llamado súper-Eddingon, en el cual la presión de la propia radiación puede disipar el material que la está produciendo. El universo en el que existían estas condiciones era muy distinto del actual: mucho más caótico y turbulento, con una población de estrellas de puro hidrógeno y helio distintas de las actuales (llamada Población III), y permitió la fusión de estos agujeros negros al colisionar y fundirse sus galaxias. La simulación muestra cómo muchas de estas estrellas (de cientos de masas solares) transicionan directamente a agujeros negros por acreción de masa, mientras la galaxia colapsa sobre ellos disparando además episodios de formación estelar y el crecimiento del agujero negro súper masivo:

En los próximos años, el Webb tal vez podrá observar evidencia de estos fenómenos, y se empezará a completar la imagen de los primeros mil millones de años del universo, sin romperlo.

 

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Las fotos son de NASA/ESA/CSA/JWST (la primera es un recorte del CEERS, las otras son de los papers). 

El paper teórico es Mehta et al., Growth of light seed black holes in the early Universe, Nature Astronomy, 2026. (https://doi.org/10.1038/s41550-025-02767-5)

Los del Webb son:

Kocevski et al.,  The rise of faint, red AGN at z > 4: A sample of Little Red Dots in the JWST Extragalactic Legacy Fields, ApJ, 2025 (http://doi.org/10.3847/1538-4357/adbc7d)

Rusakov et al., Little red dots as young supermassive black holes in dense ionized cocoons, Nature, 2026. (https://doi.org/10.1038/s41586-025-09900-4)

Están apareciendo una cantidad de trabajos con observaciones y análisis de los Puntitos Rojos, que van completando el panorama. Por ejemplo, un paper de mi amiga Karina Caputi señala que podría tratarse de una diversidad de objetos: Not Just a Dot: The Complex UV Morphology and Underlying Properties of Little Red Dots, DOI 10.3847/1538-4357/adfa10.