Las jóvenes galaxias del universo primitivo experimentaron importantes periodos de formación estelar, pero debido a lo lejos que se encuentran de la Tierra ha resultado todo un reto estudiar su luz y cuántas estrellas contenían.

Ahora, gracias al telescopio espacial James Webb (JWST, de la NASA, la ESA y la agencia espacial canadiense), un equipo internacional de astrónomos ha detectado cinco cúmulos estelares ligados gravitacionalmente en el llamado arco de las Gemas Cósmicas (SPT0615-JD1). Es una galaxia fuertemente magnificada por un efecto conocido como lente gravitatoria, y captada cuando el universo tenía tan solo unos 460 millones de años (ahora tiene unos 13.800 millones).

Se trata, por tanto, del primer descubrimiento de cúmulos estelares en una galaxia incipiente, menos de 500 millones de años después del Big Bang, según publican los investigadores en la revista Nature. Podrían ser los primeros candidatos a cúmulos protoglobulares conocidos hasta la fecha.

“JWST ha descubierto los cúmulos estelares más lejanos, con mayor corrimiento al rojo [desplazamiento hacia esa banda del espectro electromagnético cuando un objeto se aleja], y los llamamos protoglobulares porque pensamos que se convertirán en cúmulos globulares”, detalla a SINC la autora principal, Angela Adamo, de la Universidad de Estocolmo y el Centro Oskar Klein de Suecia, “pero son cúmulos jóvenes, los observamos 460 millones de años tras el Big Bang”.

El arco de las Gemas Cósmicas (izquierda, hilera de puntos brillantes) se encuentra entre las galaxias más distantes observadas con el Webb y la única en la que se puede resolver su luz estelar gracias al efecto de aumento de las lentes gravitacionales. Imagen: ESA/Webb, NASA & CSA, L. Bradley (STScI), A. Adamo (Stockholm University) and the Cosmic Spring collaboration/Nature.

Toda la región fue observada por primera vez por el telescopio espacial Hubble en 2018, y tiene propiedades que indican que puede ser un lugar de reionización, pero sus componentes han sido difíciles de resolver. Cada cúmulo estelar tiene un tamaño de aproximadamente un pársec (unos 3,26 años luz), lo que indica que son muy densos, alrededor de tres órdenes de magnitud más que los típicos cúmulos estelares jóvenes del universo local.

En la época de reionización del universo

Los autores concluyen que estos hallazgos implican que la formación de cúmulos estelares y la retroalimentación pueden haber moldeado las propiedades de las galaxias durante la época de reionización del universo, un importante cambio que comenzó unos 379.000 años después del Big Bang.

“La reionización es una de las últimas grandes transiciones de fase del universo”, explica Adamo, “creemos que comenzó en torno al desplazamiento al rojo en el que detectamos estos cúmulos estelares, de modo que se encuentran en una galaxia durante las primeras fases de reionización”.

“Pensamos que la radiación producida por estos cúmulos estelares podría haber escapado de la galaxia y haber contribuido a la reionización. Pero, por supuesto, se trata de especulaciones. No podemos tener pruebas directas con los datos actuales”, reconoce la investigadora.

En nuestra Vía Láctea vemos antiguos cúmulos globulares de estrellas, unidos por la gravedad y que han sobrevivido durante miles de millones de años. Son viejas reliquias de la intensa formación estelar en el cosmos primitivo, pero no se sabe bien dónde y cuándo se formaron. La detección de cúmulos estelares masivos jóvenes en el arco de las Gemas Cósmicas proporciona ahora una visión excelente para conocer mejor ese proceso.

“Estos resultados proporcionan pruebas directas que indican que los cúmulos protoglobulares se formaron en galaxias débiles durante la era de reionización, lo que contribuye a nuestra comprensión de cómo estas galaxias han logrado reionizar el universo”, comenta Angela.

Además, “las altas densidades estelares halladas en los cúmulos nos proporcionan la primera indicación de los procesos que tienen lugar en su interior –subraya–, aportando nuevos datos sobre la posible formación de estrellas muy masivas y de semillas de agujeros negros, ambos importantes para la evolución de las galaxias”.

Participación española

Otra de las autoras, Yolanda Jiménez, investigadora del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC) y el Observatorio Nacional en Río de Janeiro (Brasil), resume el hallazgo: “Estas estructuras son los cúmulos estelares más antiguos jamás detectados y podrían ser precursores de los cúmulos globulares que actualmente observamos en nuestra galaxia”.

“Este descubrimiento demuestra nuevamente cómo, gracias al James Webb, estamos desvelando las etapas más tempranas de nuestro universo”, apunta, por su parte, el coautor José María Diego, científico del Instituto de Física de Cantabria (IFCA, centro mixto del CSIC y la Universidad de Cantabria), donde se ha desarrollado un modelo del efecto lente gravitatoria para entender la magnificación del arco.

Cúmulo globular estelar Messier 15 captado por el Hubble alrededor de nuestra Vía Láctea. Los autores creen que lo que ven en el arco de las Gemas Cósmicas se convertirá en este tipo de objeto. Imagen: NASA/ESA.

“Una de las cuestiones aún por resolver es por qué vemos solo cinco imágenes dobles –comenta–, cuando, en realidad, esperamos seis. Una posible explicación es la presencia de una galaxia enana, no detectada por el James Webb, con un poder de magnificación menor que no permite que veamos dicha imagen”.

En cualquier caso, estos resultados ayudan a arrojar luz sobre cómo se formaron las estrellas y galaxias en el universo primitivo, y los investigadores esperan disponer de muchos más ejemplos en el futuro.

De momento, “estamos haciendo un seguimiento con observaciones espectroscópicas del arco de las Gemas Cómicas, lo que ayudará a derivar propiedades físicas más estrictas de sus cúmulos estelares y de la galaxia anfitriona”, adelanta Adamo. En 2025 están programados más estudios con el Webb que pueden deparar nuevas sorpresas.

Referencia:

Angela Adamo et al. ‘Bound star clusters observed in a lensed galaxy 460 Myr after the Big Bang’. Nature, 2024