Durante décadas, los astrónomos que miraban a través del Hubble han intentado vislumbrar las primeras estrellas del Universo cobrando vida. Sin embargo, las pequeñas galaxias que construyeron el cosmos eran demasiado débiles para ser detectadas, incluso por los instrumentos más sofisticados. Ahora, los astrónomos finalmente tienen dos cosas de su lado: el Telescopio Espacial Webb y un poco de suerte cósmica.

En un artículo reciente en Nature, un equipo liderado por Kimihiko Nakajima de la Universidad de Kanazawa, Japón, utilizó el Telescopio Espacial James Webb para observar una galaxia ultra débil llamada LAP1-B tal como existía aproximadamente 800 millones de años después del Big Bang. Es la galaxia más primitiva químicamente que jamás hayamos visto, lo cual es mucho decir, dado cuántas cosas primitivas hemos detectado.

LAP1-B está a 13 mil millones de años luz de distancia. Incluso los enormes espejos de berilio recubiertos de oro del JWST no fueron suficientes por sí solos. El equipo la detectó gracias a un cúmulo masivo de galaxias llamado MACS J046, que deforma el espacio-tiempo entre nosotros y LAP1-B como un espejo cósmico de feria. "La galaxia fue fuertemente magnificada por el efecto de lente gravitacional", dijo Nakajima. Específicamente, el espacio-tiempo deformado aumentó el brillo de LAP1-B aproximadamente 100 veces.

Incluso con ese aumento, LAP1-B es tan tenue que ni el JWST ni el Hubble pudieron detectar su continuo estelar, la luz de fondo constante de sus estrellas. Para Nakajima y sus colegas, eso fue en sí mismo una pista. Conociendo la distancia y la sensibilidad del telescopio, calcularon el límite superior absoluto de la masa estelar de LAP1-B: 3,300 soles. Eso es un error de redondeo en comparación con los aproximadamente 100 mil millones de masas solares de la Vía Láctea.

La mayor parte de la luz que golpeó los espejos del JWST no provenía de estrellas, sino de gas brillante. Al examinar ese gas, el equipo se dio cuenta de que LAP1-B es lo más parecido a las primeras galaxias prístinas que hemos observado. El brillo proviene de la radiación de alta energía de estrellas masivas que golpea las nubes de gas interestelar circundante, haciéndolas fluorescentes. Usando el Espectrógrafo de Infrarrojo Cercano del JWST, los investigadores descompusieron la luz en un espectro y buscaron líneas de emisión que indicaran la composición química.

"Queríamos medir cuánto oxígeno estaba presente", dijo Nakajima. El análisis reveló una profunda escasez de elementos más pesados que el hidrógeno y el helio. La relación oxígeno-hidrógeno en fase gaseosa era solo del 0.4 por ciento de lo que encontramos en nuestro Sol. Otro detalle: carbono triplemente ionizado, un estado donde un átomo de carbono pierde la mitad de sus seis electrones. Arrancar esos electrones requiere fotones ultravioleta extremos con energías superiores a 47.9 electronvoltios. Las estrellas estándar, incluso las masivas cercanas a nosotros, no son lo suficientemente calientes. Las estrellas que podrían alcanzar ese calor, sugiere el equipo, fueron las primeras encendidas en el Universo, hechas exclusivamente de hidrógeno y helio del Big Bang, carentes de elementos pesados para enfriarse mientras se formaban. "Tales estrellas deberían haberse formado a partir de gas primordial", dijo Nakajima.

Las estrellas de hoy, incluido nuestro Sol, son de Población I. Las más viejas en el halo galáctico son de Población II, con elementos pesados mucho más bajos. Las estrellas de Población III fueron las primeras, teorizadas como monstruos violentos con masas cientos de veces la del Sol comprimidas en pequeños volúmenes, ardiendo extremadamente calientes y muriendo jóvenes en supernovas. El equipo de Nakajima probablemente encontró rastros de esas explosiones en LAP1-B.

A pesar de ser increíblemente pobre en elementos pesados, LAP1-B tiene una relación carbono-oxígeno inusualmente alta, más alta que la de nuestro Sol. Los investigadores creen que la respuesta está en cómo murieron esas masivas estrellas de primera generación. Cuando una estrella de Población III colapsa, su núcleo se convierte en un agujero negro, pero la supernova no es lo suficientemente energética como para desintegrar la estrella. "Su energía de enlace gravitacional es más fuerte que en las estrellas masivas habituales", dijo Nakajima. El colapso resulta en una supernova débil con una caída significativa: los elementos más pesados como el oxígeno son succionados más allá del horizonte de eventos, mientras que las capas externas más ligeras ricas en carbono escapan. La composición química de LAP1-B parece una huella dactilar del gas de las supernovas de Población III.

Una pista más: la velocidad del gas. Al medir el ensanchamiento Doppler de las líneas de emisión, los investigadores estimaron la velocidad de dispersión del gas en LAP1-B, que resultó ser de unos 40 kilómetros por segundo. Eso es consistente con una galaxia pequeña y débil, pero también sugiere que la galaxia está dominada por materia oscura. La materia oscura proporciona la mayor parte de la masa, manteniendo unido el gas y las estrellas. "LAP1-B es una galaxia dominada por materia oscura", dijo Nakajima. El equipo calculó que la masa total de LAP1-B es de aproximadamente 100 millones de masas solares, pero solo 3,300 de ellas son estrellas. El resto es principalmente materia oscura, con algo de gas. Eso significa que la eficiencia de formación estelar de LAP1-B es extremadamente baja, menos del 0.01 por ciento. En comparación, la Vía Láctea convierte aproximadamente el 10 por ciento de su materia bariónica en estrellas. "Esta galaxia no es muy eficiente en la formación de estrellas", dijo Nakajima. "Solo una pequeña fracción del gas se convierte en estrellas".

LAP1-B probablemente se formó en los primeros cientos de millones de años después del Big Bang, durante la Época de Reionización, cuando la luz de las primeras estrellas y galaxias ionizó el gas de hidrógeno neutro que llenaba el Universo. Pero LAP1-B no está contribuyendo mucho a ese proceso. "Esta galaxia no puede producir fotones ionizantes suficientes para ionizar el gas circundante", dijo Nakajima. "Es demasiado pequeña". En cambio, galaxias como LAP1-B probablemente se fusionaron con otras para formar galaxias más grandes, que eventualmente se convirtieron en las galaxias que vemos hoy. "Esta galaxia es un fósil del Universo temprano", dijo Nakajima. "Es una ventana a cómo eran las primeras galaxias".

El equipo ahora está buscando más galaxias como LAP1-B. "Queremos encontrar más objetos así", dijo Nakajima. "Queremos entender cómo se formaron las primeras estrellas y galaxias". Con el JWST, los astrónomos finalmente tienen la herramienta para hacerlo. Y con un poco de suerte cósmica, podrían encontrar aún más fósiles del Universo temprano.