Astrónomos captan una diminuta galaxia nacida poco después del Big Bang: qué revela sobre las primeras estrellas del universo

A 13.000 millones de años luz de distancia, el Telescopio Espacial James Webb identificó la galaxia formadora de estrellas químicamente más primitiva conocida.

El objeto, llamado LAP1-B, contiene apenas una fracción minúscula del oxígeno presente en el Sol y permite observar una etapa cósmica en la que los elementos pesados recién empezaban a incorporarse al gas de las galaxias.

El hallazgo sitúa a esta diminuta galaxia en un momento que hasta ahora solo podía reconstruirse a partir de simulaciones y del estudio de estrellas antiguas cercanas. Su luz salió de allí cuando el universo tenía unos 800 millones de años, una edad muy temprana tras el Big Bang. El equipo internacional estuvo liderado por Kimihiko Nakajima, profesor asociado de la Universidad de Kanazawa que publicó un paper científico para explicar su descubrimiento.

La composición de LAP1-B ofrece un registro químico de las primeras generaciones estelares. Tras el Big Bang, el cosmos contenía principalmente hidrógeno y helio. El carbono, el oxígeno y otros átomos más pesados aparecieron después dentro de las estrellas, donde las reacciones nucleares transformaron los elementos iniciales. Cuando esas estrellas murieron, expulsaron ese material al espacio interestelar.

Ese proceso convirtió al universo temprano en un laboratorio de química cósmica. Cada generación estelar modificó la materia disponible para las siguientes, elevó la presencia de elementos pesados y alteró las condiciones para formar planetas, nubes de gas y nuevos sistemas estelares. Medir esas abundancias resulta clave para establecer cuándo empezó ese ciclo y qué tipo de estrellas lo impulsó.

LAP1-B destacó por una cifra fuera de escala. El oxígeno de su gas equivale a cerca de 1/240 de la abundancia solar, según las observaciones obtenidas con el Webb. La medición ubica a la galaxia muy por debajo de los niveles químicos registrados en otros sistemas remotos con formación estelar y la acerca a las condiciones esperadas para los primeros conjuntos de estrellas.

La detección requirió un fenómeno natural que reforzó la capacidad del telescopio. Un cúmulo masivo de galaxias se encuentra alineado entre la Tierra y LAP1-B. La gravedad de ese cúmulo curvó la trayectoria de la luz de fondo y actuó como una lente gravitacional. El efecto multiplicó aproximadamente por 100 el brillo aparente de la galaxia distante.

Sin esa amplificación, LAP1-B habría quedado fuera del alcance de un análisis detallado. Las galaxias pequeñas de aquella época emiten poca luz porque reúnen pocas estrellas y contienen cantidades limitadas de gas. El grupo dedicó más de 30 horas de observación al objeto y separó su luz mediante espectroscopia, una técnica que identifica elementos a partir de líneas características dentro del espectro.

La huella química apunta a las primeras estrellas

Además de la escasez de oxígeno, los astrónomos detectaron una relación de carbono respecto del oxígeno más alta de lo habitual para una galaxia de tan baja metalicidad. En astronomía, el término metalicidad abarca todos los elementos más pesados que el helio. La proporción entre esos átomos funciona como una firma: revela qué procesos estelares liberaron el material que luego pasó a formar parte del gas galáctico.

En LAP1-B, esa firma coincide con los cálculos que describen los restos expulsados por estrellas nacidas sin metales previos. Tales astros pertenecieron a las primeras poblaciones del universo. Su existencia todavía carece de una observación directa e inequívoca, pero la materia que expulsaron pudo dejar marcas reconocibles en galaxias posteriores como esta.

Los investigadores también midieron un campo de radiación ionizante muy intenso. La radiación ionizante posee energía suficiente para arrancar electrones de los átomos y cambia las características del gas que la recibe. En este caso, el patrón no encaja con una población común de estrellas ya enriquecidas químicamente ni con un agujero negro que atrae material. En cambio, se ajusta a modelos de estrellas con un contenido extremadamente bajo de metales.

Los científicos explicaron: “La formación de las primeras estrellas y galaxias marcó el inicio del enriquecimiento químico, pero las observaciones directas de tales sistemas primordiales siguen siendo esquivas. Esta galaxia se magnifica fuertemente por el efecto de lente gravitacional. LAP1-B exhibe una abundancia de oxígeno en fase gaseosa, lo que la convierte en la galaxia formadora de estrellas químicamente más primitiva descubierta hasta la fecha. La galaxia muestra un campo de radiación ionizante excepcionalmente duro, que es inconsistente con poblaciones estelares químicamente enriquecidas o agujeros negros en acreción, pero coincide con las predicciones teóricas para una población estelar excepcionalmente deficiente en metales”.

El corrimiento al rojo de 6,625 aporta otra referencia temporal. Este valor describe cuánto se estiró la luz durante su viaje por la expansión del universo. Cuanto mayor resulta ese estiramiento, más remoto y antiguo es el objeto observado. La cifra coloca a LAP1-B en una etapa previa a la consolidación de las galaxias grandes que dominan el universo actual.

La masa estelar del sistema también resulta reducida. El estudio fija un límite inferior a 3.300 masas solares para sus estrellas, una cantidad ínfima frente a los cientos de miles de millones de masas solares de la Vía Láctea. La ausencia de un continuo estelar detectable impidió un cálculo más preciso, aunque confirmó el carácter extremadamente tenue de la fuente.

Las líneas de emisión del gas permitieron estimar la masa dinámica de la galaxia, es decir, la masa total necesaria para explicar los movimientos internos observados. Ese valor supera la suma de las masas de las estrellas y el gas. La diferencia apunta a la presencia dominante de materia oscura, una forma de materia invisible que solo se detecta por su influencia gravitatoria.

LAP1-B podría anticipar el origen de galaxias fósiles cercanas

La combinación de escasa masa estelar, baja metalicidad y dominio de materia oscura vincula a LAP1-B con las galaxias enanas ultradébiles del universo local. Estos sistemas, algunos de ellos satélites de la Vía Láctea, poseen muy pocas estrellas, casi todas muy antiguas. Por esa razón, los astrónomos los consideran fósiles que conservaron rasgos de los primeros episodios de formación galáctica.

Hasta ahora, esa relación dependía de comparaciones indirectas. Las estrellas viejas presentes en las galaxias enanas ultradébiles indicaban que esos objetos pudieron surgir muy pronto, pero faltaba observar un antepasado en acción dentro del universo joven. LAP1-B ofrece ese vínculo porque combina rasgos físicos y químicos compatibles con los progenitores de tales sistemas.

Los autores definieron a la galaxia como un “fósil en formación”. La expresión no implica que el objeto permanezca inmóvil, sino que permite contemplar una fase anterior a la evolución que dio origen a las reliquias actuales. Tras miles de millones de años, una galaxia con estas propiedades pudo perder gas, interrumpir su formación estelar y quedar como un sistema tenue alrededor de una galaxia mayor.

Y agregaron: “También muestra una elevada relación de abundancia de carbono a oxígeno para su metalicidad en el medio interestelar, consistente con rendimientos nucleosintéticos de una población estelar formada en ausencia de metales iniciales. Nuestros hallazgos establecen a LAP1-B como un ‘fósil en formación’, un progenitor directo de alto corrimiento al rojo de las antiguas galaxias enanas ultradébiles observadas en el universo local y ofrece una ventana excepcional a las primeras etapas de la formación de galaxias.”

La relevancia del resultado supera el caso particular de una galaxia. Los elementos químicos presentes en los cuerpos humanos, los planetas rocosos y gran parte del polvo cósmico surgieron dentro de estrellas y se dispersaron tras sus muertes. Conocer cómo empezó esa cadena permite reconstruir el tránsito desde un universo compuesto casi por completo de hidrógeno y helio hasta uno con diversidad química.

El equipo planea usar nuevas observaciones del James Webb para localizar galaxias con cantidades de oxígeno todavía menores. Una muestra más amplia permitirá evaluar si LAP1-B representa una excepción poco frecuente o una población habitual durante los primeros mil millones de años del cosmos. También podrá precisar qué estrellas aportaron carbono, oxígeno y otros elementos al gas primordial.

Esas futuras mediciones buscarán establecer el ritmo de enriquecimiento químico en las primeras galaxias y el destino de los materiales expulsados por sus estrellas. Por ahora, LAP1-B proporciona una imagen poco común de aquel proceso: un sistema pequeño, dominado por materia oscura y con un gas apenas alterado por las primeras fábricas estelares de elementos.