El telescopio más grande en el espacio obliga a los astrónomos a reescribir el origen del universo
Cuando Charlotte Mason reflexiona sobre los misterios cósmicos, le gusta hacer garabatos. "Soy una persona bastante visual", expresa. "Normalmente hago muchos dibujos para intentar entender qué está pasando".
Mason, astrofísica del Cosmic Dawn Center de Copenhague, ha estado últimamente llenando páginas con bocetos de "pequeños puntos rojos", unos objetos desconcertantes que se han descubierto por centenares en las imágenes del Telescopio Espacial James Webb (JWST). Estos pequeños puntos rojos nunca se habían visto antes de que el telescopio entrara en funcionamiento en 2022. Pero ahora sabemos que empezaron a aparecer en cantidades significativas unos 650 millones de años después del Big Bang.
Estos puntos son solo uno de los apasionantes misterios que han surgido de las observaciones del JWST sobre el universo primitivo. Otros incluyen agujeros negros que parecen increíblemente grandes para su edad, así como galaxias antiguas que desafían lo que creíamos saber sobre los primeros mil millones de años tras el Big Bang. Al principio, los científicos quedaron atónitos: el universo revelado por el JWST simplemente no encajaba con nuestra comprensión de la astrofísica. Ahora, una oleada de nuevas teorías ofrece soluciones tentadoras, pero cuál de ellas refleja la realidad es una cuestión aún por resolver.
Las ideas más recientes sugieren que esos pequeños puntos rojos podrían ser agujeros negros envueltos en una densa nube de gas, lo que posiblemente representaría un tipo de objeto completamente nuevo denominado "estrella de agujero negro", en el que la densa envoltura de gas emite luz como si fuera una atmósfera estelar.
"Este sería mi agujero negro", dijo Mason, dibujando un pequeño círculo y rellenándolo. "Quizá le ponga un disco, porque creemos que de ahí proviene parte de la emisión". Trazó una línea que atravesaba el centro del círculo. "Entonces, la imagen un tanto simplista es simplemente esta densa nube de gas alrededor del agujero negro". Dibujó un círculo más grande rodeando el objeto.
Pero Mason cree que estos enigmas cósmicos pueden esconder algo más. Ella y sus colegas analizaron recientemente el espectro de luz emitido por un pequeño punto rojo. Si la imagen de la nube densa fuera correcta, parte de la luz debería haberse alterado al atravesar el gas, aunque eso no es lo que observaron.
Una muestra de los enigmáticos pequeños puntos rojos que el JWST ha detectado en el universo primitivo.
Cortesía de Jorryt Matthee. Datos de las encuestas EIGER/FRESCO.
"¿Y ahora qué hago? Empiezo de nuevo. Pero ahora, si hago que el gas se agrupe en cúmulos", comentó Mason, dibujando un nuevo diagrama con huecos en las nubes que rodean al agujero negro, "debería poder obtener [una señal] que parezca más cercana".
En todo el mundo, investigadores como Mason están reuniendo con entusiasmo las imágenes del JWST sobre el cosmos primitivo para crear una imagen más clara de los orígenes de nuestro universo. Y, al igual que los fotones que recorren miles de millones de años luz para llegar hasta nosotros, constantemente se van encajando nuevos fragmentos en su sitio.
Los abismos sin fondo del universo
La historia de los agujeros negros se ha vuelto más complicada gracias al JWST, que sigue detectando agujeros negros antiguos que son demasiado grandes para explicarlos con las teorías establecidas.
Poco después del Big Bang, el universo era en gran medida liso y sin rasgos distintivos. Entonces, apenas unos cientos de millones de años más tarde, "ya vemos crecer agujeros negros con una masa de miles de millones de soles", sostiene Jenny Greene, astrofísica de la Universidad de Princeton. "Para que alcancen ese tamaño tan rápidamente, hay que hacer malabarismos".
Los científicos tienen en cuenta dos factores clave que influyen en el tamaño de un agujero negro: la masa que tenía la "semilla" del agujero negro en el momento de su origen y la rapidez con la que estas semillas crecieron a partir de entonces. Pero resulta difícil explicar cómo los agujeros negros se formaron ya con un tamaño suficiente o crecieron lo bastante rápido como para alcanzar mil millones de veces la masa del Sol en los primeros tiempos del universo.
En el universo actual, los agujeros negros se forman cuando el núcleo de una estrella masiva se queda sin combustible y colapsa. Teniendo en cuenta que las primeras estrellas eran bastante masivas, podrían haber dejado tras de sí "semillas" de agujeros negros de hasta unas 100 masas solares, explicó Greene.
"Sabemos que eso ocurre, pero es muy, muy difícil que alcancen los mil millones tan rápidamente", añadió. "Realmente hay que alimentarlos a la fuerza".
Históricamente, los científicos han creído que existe un límite estricto a la velocidad a la que pueden crecer los agujeros negros. A medida que la materia cae hacia el agujero negro, se calienta al girar alrededor de él, como el agua que se va por un desagüe. La radiación que produce este "disco de acreción" empuja hacia atrás el material que sigue llegando, impidiendo que el agujero negro consuma más. Este límite de ingesta, denominado límite de Eddington, debería hacer imposible que los agujeros negros crecieran decenas de millones de veces más en el tiempo disponible.
Sin embargo, simulaciones informáticas recientes sugieren que los agujeros negros podrían tener una especie de "puerta trasera". Si el disco de acreción se hincha de la forma adecuada, el gas entrante puede superar la presión de radiación. Dicha acreción provocaría que el gas se canalizara a velocidades extraordinarias.
Aun así, los astrónomos desconocen si habría habido suficiente gas a su alrededor para producir los agujeros negros más grandes. Algunos investigadores creen que antiguos y densos cúmulos estelares podrían haber creado numerosas "semillas" de agujeros negros que se fusionaron rápidamente.
O tal vez los agujeros negros supermasivos nunca se formaron a partir de estrellas. En este caso, colosales nubes de gas se habrían hundido directamente en un agujero negro. Este mecanismo de "colapso directo" puede dar lugar a una semilla con una masa unas 10,000 veces superior a la del Sol.
"El problema con la hipótesis del colapso directo es que requiere unas condiciones realmente perfectas", señaló Greene. Para que el colapso directo funcione, una nube gigantesca debe comprimirse en un agujero negro de una sola vez, sin fragmentarse primero en nubes más pequeñas que formarían estrellas. Esto requiere composiciones químicas específicas del gas, y la nube debe girar lentamente.
"Cuando se simula esto en una computadora, se pueden crear estos agujeros negros por colapso directo, pero no se pueden generar en cantidad suficiente como para explicar todos los agujeros negros que observamos", agregó Greene.
Existen algunas pruebas que respaldan cada una de estas teorías. En 2024, el JWST observó un agujero negro de hace unos 1,500 millones de años tras el Big Bang devorando materia a un ritmo de unas 40 veces el límite de Eddington. Si los agujeros negros de épocas más tempranas del tiempo cósmico también se alimentaron de esta manera, tal vez los más grandes de entre ellos comenzaron como semillas relativamente pequeñas.
Una simulación de la formación de una galaxia en los primeros 550 millones de años tras el Big Bang. Los paneles, de izquierda a derecha, representan la materia oscura, el gas y las estrellas.
Simulación: Zack Andalman/Princeton University
Sin embargo, recientemente, los investigadores han analizado detenidamente un pequeño punto rojo que data de unos 750 millones de años después del Big Bang y que sufre un efecto de lente gravitacional debido a un cúmulo de galaxias situado en primer plano. Llegaron a la conclusión de que el objeto es un agujero negro supermasivo "desnudo", con una masa estimada de 50 millones de veces la del Sol, sin estrellas perceptibles a su alrededor. Si esa estimación de la masa es correcta, la implicación es que el agujero negro pudo haberse formado a partir de una semilla grande, posiblemente mediante colapso directo, antes de que existiera ninguna galaxia.
"Es evidente que existen diferencias en la forma en que crecen los agujeros negros que aún no comprendemos del todo", admitió Greene. "Así que, para mí, lo más emocionante ahora mismo es intentar comprender, desde el punto de vista físico, ¿cuál es la diferencia?".
La formación de una galaxia
Al igual que los primeros agujeros negros, que parecen demasiado grandes, muchas de las primeras galaxias detectadas por el JWST parecen demasiado brillantes. Para averiguar por qué, los investigadores están replanteándose sus ideas sobre cómo se forman las galaxias.
Unos 200 millones de años después del Big Bang, el universo primitivo era pequeño, denso y caliente en comparación con el actual. A medida que se expandía y se enfriaba, la materia oscura se aglutinó en grandes cúmulos que los científicos denominan halos. La gravedad de estos halos sin luz atrajo el hidrógeno y el helio gaseosos hacia vastos filamentos que se agruparon en los núcleos de los orbes oscuros que los envolvían. Una vez que se acumuló suficiente gas, las presiones extremas desencadenaron los procesos de fusión nuclear y encendieron las primeras estrellas, que se agruparon para formar las primeras galaxias.
Los astrónomos suelen describir la cronología de estos acontecimientos en términos de desplazamiento al rojo, es decir, cuánto se ha estirado la luz de los primeros objetos debido a la expansión cósmica.
"No ocurre gran cosa hasta alcanzar un desplazamiento al rojo de aproximadamente 15 [270 millones de años después del Big Bang], y entonces empieza a fluir gran cantidad de gas a lo largo de estos filamentos", explicó Rachel Somerville, investigadora científica sénior especializada en la formación de galaxias en el Flatiron Institute de Nueva York. Presentó nuevas simulaciones por computadora en un encuentro celebrado en abril de 2026 en Helsingør, Dinamarca. En una sala de conferencias con vistas a un estrecho entre el mar Báltico y el mar del Norte, se habían reunido más de 100 investigadores de todo el mundo para debatir los enigmas de la infancia del universo. En la pantalla del proyector bailaban coloridas visualizaciones de materia oscura, gas y luz estelar.
"Alrededor de un desplazamiento al rojo de 11 [420 millones de años], la tasa de formación estelar empieza a acelerarse de verdad", continuó. "Con un desplazamiento al rojo de 9 [550 millones de años], se forma una bonita galaxia".
Los cúmulos estelares se fusionan para formar una galaxia unos 500 millones de años después del Big Bang.
Visualización: James Sunseri/Princeton University
La galaxia que se veía en la pantalla representaba una población primitiva, pero la galaxia más antigua descubierta hasta ahora por el JWST existió tan solo 280 millones de años después del Big Bang. El desconcertante descubrimiento por parte del telescopio de galaxias primitivas y brillantes llevó inicialmente a algunos científicos a sugerir que nuestra comprensión de la cosmología fundamental (las leyes que rigen el comportamiento de la energía y la materia en el universo primitivo) podría ser errónea. Pero tras unos años de estudio de estos objetos primitivos, los teóricos disponen ahora de varios modelos para explicar su brillo y abundancia.
"Casi hemos pasado de tener demasiadas galaxias primitivas a tener demasiadas teorías para explicarlas", declaró Somerville ante la sala.
Quizá las primeras galaxias convirtieron el gas en estrellas de forma más eficiente de lo que se pensaba. O bien experimentaron ráfagas periódicas de formación estelar impulsadas por condiciones turbulentas. O tal vez las primeras regiones de formación estelar crearon preferentemente estrellas masivas y extremadamente brillantes. Muchos astrofísicos creen que una combinación de estos factores, y quizás otros, contribuyó al desarrollo de las galaxias.
Para poner a prueba estas nuevas ideas, los investigadores están explorando el universo primitivo mediante simulaciones. "De hecho, se han producido avances realmente notables desde el lanzamiento del Webb, sobre todo en el último año más o menos, en lo que respecta a las simulaciones numéricas", explicó Somerville a los asistentes, añadiendo que estas nuevas simulaciones "quizá sean más adecuadas y proporcionen más información para interpretar las observaciones del universo de alto desplazamiento al rojo".
A medida que estos modelos mejoran, el telescopio James Webb está documentando cada vez más galaxias. Al comparar lo que observa en el universo primitivo con simulaciones que intentan explicar el porqué, los investigadores se están acercando poco a poco a desvelar la verdadera naturaleza del amanecer cósmico.
"Podemos intentar hacer coincidir el mejor análogo de la galaxia observada con la simulada", afirmó Hakim Atek, astrofísico del Instituto de Astrofísica de París de la Universidad de la Sorbona. "Una vez que se tiene esta mejor correspondencia, se puede examinar la historia de la formación estelar, ya que en las simulaciones se tiene acceso a toda la historia de la galaxia".
Recientemente ha surgido una pista intrigante gracias al instrumento de infrarrojo medio (MIRI) del JWST, un dispositivo sobreenfriado capaz de descomponer la luz de objetos lejanos. El MIRI ha revelado que las galaxias primitivas no presentan las mismas características que los científicos suponían.
"La principal sorpresa es la diversidad de las propiedades de las galaxias que observamos en épocas tempranas", añadió Atek. "Uno esperaría que tuvieran el mismo aspecto".
Esta diversidad podría ser un indicio de que la formación estelar se produjo en ráfagas, a medida que las galaxias pasaban por ciclos de fusión de estrellas que explotaban y expulsaban nubes de gas, deteniendo la creación de estrellas, para que luego el gas se volviera a acumular y desencadenara una nueva ola de nacimiento estelar.
"Parece que algunas de ellas han eliminado todo el medio interestelar presente allí, tanto el gas como el polvo. Es como si solo estuvieras viendo estrellas desnudas", explicó Atek. "Otra galaxia es todo lo contrario. Tiene mucho gas".
Otra pista proviene de un grupo de galaxias con un exceso de nitrógeno. La presencia de este elemento sugiere que pudo haber muchas estrellas especialmente masivas en el universo primitivo. En las simulaciones, estas estrellas masivas generan un exceso de nitrógeno antes de explotar en supernovas y dispersar el elemento por sus galaxias anfitrionas.
Algún día, los investigadores podrían desentrañar el panorama completo de la formación galáctica. Hasta entonces, seguirán analizando minuciosamente las pistas que ofrecen las nuevas observaciones y simulaciones.
El enigma de la existencia
Una vez que se encendieron las luces astrales, el universo se transformó. La radiación de las primeras galaxias y los agujeros negros ionizó un mar de gas de hidrógeno neutro, esculpiendo inmensas burbujas en medio de la neblina cósmica. Los investigadores denominan a este periodo "reionización", ya que fue la segunda vez que el universo se ionizó. Marca el final de la edad oscura cósmica, cuando el abismo brumoso carecía de estrellas.
Las primeras estrellas, que se cree que eran cientos o miles de veces más masivas que el Sol, consumieron vorazmente su combustible de hidrógeno y helio y estallaron en potentes supernovas, sembrando el universo con nuevos elementos como el carbono, el nitrógeno, el oxígeno, el fósforo y el hierro: la materia de la que están hechos los planetas y la vida.
En muchos sentidos, esas primeras estrellas son las madres del universo. “Estamos observando lo que nos creó”, concluyó Lise Christensen, astrofísica del Cosmic Dawn Center.
Quizá resulte apropiado que la reciente conferencia para debatir sobre los orígenes cósmicos tuviera lugar en Helsingør, a un paso del castillo que inspiró Elsinore en Hamlet. En la obra, el príncipe danés de Shakespeare se lamenta:
este valiente firmamento que se cierne sobre nosotros,
este techo majestuoso, adornado con fuego dorado
pues a mí no me parece nada sino una congregación
fétida y pestilente de vapores.
Qué obra maestra es el hombre, cuán noble en
su razón, cuán infinito en sus facultades
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
y, sin embargo, para mí, ¿qué es esta quintaesencia del polvo?
Aunque se trata de una reflexión melancólica sobre la existencia (el universo como "una congregación fétida y pestilente de vapores", la humanidad como la “quintaesencia del polvo”), hoy sabemos que la descripción de Hamlet es más precisa desde el punto de vista científico de lo que Shakespeare podría haber imaginado. De hecho, estamos compuestos de elementos forjados en las estrellas y expulsados al vacío en forma de gas y polvo.
Sin embargo, a diferencia de Hamlet, que se sumía en la melancolía en Elsinore, a los científicos que estudian los orígenes del universo les entusiasman estos comienzos cósmicos.
Artículo original reproducido con permiso de Quanta Magazine, una publicación editorialmente independiente de la Fundación Simons cuya misión es mejorar la comprensión pública de la ciencia mediante la cobertura de los avances y tendencias de la investigación en matemáticas y en las ciencias físicas y biológicas.
Adaptado por Andrea Baranenko.