En el verano de 2022, pocas semanas después de que el Telescopio Espacial James Webb (JWST) comenzara a entregar sus primeras imágenes científicas, los astrónomos notaron un patrón inesperado: diminutos puntos rojos esparcidos por las nuevas observaciones. Estos objetos muy compactos y claramente rojos aparecieron con notable claridad gracias a la sensibilidad del JWST y fueron mucho más numerosos de lo esperado. Su descubrimiento sugiere la presencia de una población completamente nueva de fuentes celestes distantes que el Telescopio Espacial Hubble no ha podido detectar. Se entiende esa limitación. En astronomía, llamar a algo “muy rojo” significa que el objeto emite la mayor parte de su luz en longitudes de onda más largas. Estos pequeños puntos rojos emiten la mayor parte de su luz en longitudes de onda superiores a 10 millonésimas de metro en el infrarrojo medio. Hubble no puede observar longitudes de onda tan largas, mientras que JWST fue diseñado específicamente para alcanzarlas.
Los datos de seguimiento aclararon que estos objetos estaban extraordinariamente distantes. Incluso nuestros humanos más cercanos tardaron 12 mil millones de años en llegar a la luz. Como mirar a través del espacio también es mirar hacia atrás en el tiempo, vemos los objetos tal como aparecieron hace 12 mil millones de años, aproximadamente 1,8 mil millones de años después del Big Bang.
Las primeras teorías apuntan a galaxias jóvenes y masivas
Este descubrimiento plantea preguntas difíciles. Para explicar cualquier observación astronómica, los investigadores se basan en modelos que describen cómo deberían verse los diferentes tipos de objetos. Los astrónomos pueden identificar con seguridad una estrella sólo porque piensan que las estrellas son esferas masivas de plasma mantenidas unidas por la gravedad, que generan energía a través de la fusión nuclear. También saben cómo deberían aparecer las estrellas en imágenes y mediciones detalladas de su luz conocidas como espectros. Cuando un objeto coincide tanto en apariencia como en espectro, se puede clasificar de forma fiable.
Los pequeños puntos rojos no se alineaban con ninguna categoría conocida, por lo que los astrónomos comenzaron a considerar explicaciones más extremas. Una de las primeras propuestas sugirió que estos objetos eran galaxias inusualmente densas llenas de un gran número de estrellas, cuyo color rojizo se debía a una gruesa capa de polvo. Para visualizar esta densidad, imaginemos el sistema solar contenido dentro de un cubo de un año luz en cada dirección. En nuestra región del espacio, ese cubo contendría sólo al Sol. En las galaxias propuestas, el mismo cubo contendría cientos de miles de estrellas.
En la Vía Láctea, sólo el núcleo central tiene una densidad de estrellas remotamente comparable, y esa región todavía contiene aproximadamente una milésima parte del número de estrellas necesarias para el modelo del pequeño punto rojo. Si estas galaxias realmente formaran cúmulos de estrellas de cientos de miles de millones de masas solares menos de mil millones de años después del Big Bang, desafiaría las teorías fundamentales sobre cómo se forman las galaxias. El coautor Bingji Wang (Penn State University) señala: “El cielo nocturno de una galaxia así sería deslumbrantemente brillante. Si esta explicación es válida, implicaría que las estrellas se formaron a través de procesos extraordinarios que nunca antes se habían visto”.
¿Galaxia o núcleo galáctico activo? Una división científica
Rápidamente surgió la controversia. Algunos investigadores favorecieron la idea de una galaxia rica en estrellas y llena de polvo, mientras que otros argumentaron que los pequeños puntos rojos eran en realidad núcleos galácticos activos oscurecidos por grandes cantidades de polvo. Los núcleos galácticos activos se producen cuando el material gira en espiral hacia el agujero negro central de una galaxia, creando un disco de acreción extremadamente caliente. Sin embargo, esta interpretación también tropezó con problemas. El espectro del pequeño punto rojo difiere significativamente del de los núcleos galácticos activos que brillan en polvo. El escenario requería que estos objetos albergaran agujeros negros supermasivos con masas extremadamente grandes, y mucho más de lo esperado dado lo pequeño que JWST detectó el punto rojo.
A pesar de sus diferencias, los astrónomos coinciden en una cosa. Necesitaban más información para resolver el misterio. Los resultados iniciales del JWST ofrecieron imágenes, pero la física necesitaba comprender los espectros, que revelan cuánta luz emiten los objetos en diferentes longitudes de onda. Asegurar tales observaciones es un desafío porque el tiempo en los grandes telescopios es altamente competitivo. Una vez que quedó claro el significado del pequeño punto rojo, muchos equipos comenzaron a solicitar observaciones de tiempo. Una de esas propuestas exitosas es el programa RUBIES, dirigido por Anna de Graaf del Instituto Max Planck de Astronomía, un resumen de “Red Unknowns: Bright Infrared Extragalactic Survey”.
La encuesta RUBIES descubre un ejemplo extremo
Entre enero y diciembre de 2024, el equipo de RUBIES utilizó casi 60 horas de tiempo JWST para recopilar espectros de 4500 galaxias distantes, creando el conjunto de datos espectroscópicos JWST más grande hasta la fecha. Según Raphael Hviding (MPIA), “en ese conjunto de datos, encontramos 35 pequeños puntos rojos. La mayoría de ellos ya fueron encontrados usando imágenes JWST disponibles públicamente. Pero los que eran nuevos resultaron ser los objetos más extremos e interesantes”. El descubrimiento más interesante se realizó en julio de 2024: un ejemplar extraordinariamente distante al que llamaron “El Acantilado”, cuya luz viajó 11.900 millones de años para llegar hasta nosotros (desplazamiento al rojo z=3,55). Sus propiedades sugieren que es un representante particularmente intenso de la población de los pequeños puntos rojos y, por lo tanto, un objeto importante para probar cualquier teoría sobre ellos.
El acantilado obtuvo su nombre debido a una característica espectacular en su espectro. Como suele ocurrir en la región ultravioleta, el espectro mostró un aumento muy pronunciado. Debido a la expansión del universo, esa longitud de onda se estiró hasta unas cinco veces su valor original, colocándola en el infrarrojo cercano, un proceso llamado corrimiento al rojo cósmico. Este aumento repentino se conoce como “ruptura de Balmer”. Las rupturas de Balmer se observan en galaxias normales, especialmente aquellas que producen pocas o ninguna estrella nueva, pero son mucho más débiles de lo que se vio en The Cliff.
Cada explicación conocida está siendo probada.
La ruptura inusualmente pronunciada de Balmer pone a The Cliff en desacuerdo con las dos explicaciones principales del pequeño punto rojo. De Graaf y sus colegas probaron una amplia gama de modelos de galaxias y núcleos galácticos activos frente al espectro de la materia, intentando reproducir sus propiedades. Todos los modelos han fracasado.
“La naturaleza extrema de The Cliff nos obligó a volver a la mesa de dibujo y crear un modelo completamente nuevo”, dice Anna de Graaf. Mientras tanto, un estudio de septiembre de 2024 realizado por investigadores de China y el Reino Unido sugirió que algunas de las características de la ruptura de Balmer pueden provenir de fuentes distintas a las estrellas. El propio equipo de De Graaf empezó a considerar una idea relacionada. Las rupturas de Balmer pueden aparecer en los espectros de estrellas jóvenes, muy calientes y únicas, así como en galaxias que contienen muchas de estas estrellas. Sorprendentemente, The Cliff se parece más al espectro de una estrella muy caliente que a una galaxia entera.
Ha surgido un nuevo modelo: la estrella agujero negro (BH)*
Basándose en esa idea, de Graaff y sus colaboradores introdujeron un nuevo concepto al que se refirieron como “estrella agujero negro”, escrito como BH*. En este modelo, el motor central es un núcleo galáctico activo que contiene un agujero negro supermasivo con un disco de acreción, pero en lugar de polvo, todo el sistema está cubierto por una gruesa capa de gas hidrógeno que enrojece la luz emitida. Los objetos BH* no son verdaderas estrellas porque no tienen fusión nuclear en sus núcleos. El gas que las rodea es también mucho más turbulento que cualquier cosa que se encuentre en la atmósfera de una estrella normal. Sin embargo, las condiciones físicas básicas son comparables. El núcleo galáctico activo calienta la envoltura de gas circundante de una manera similar a cómo la fusión calienta las capas exteriores de una estrella, creando una apariencia exterior similar.
Los modelos presentados por el equipo sirven como prueba inicial de concepto. Todavía no coinciden perfectamente con los datos, pero reproducen las características observadas con más éxito que cualquier modelo anterior. El pronunciado aumento del espectro que inspiró el nombre The Cliff puede explicarse por una envoltura de gas densa, esférica y turbulenta que rodea un núcleo galáctico activo. Si esta interpretación es correcta, el acantilado representaría un caso extremo dominado por la estrella del agujero negro central, mientras que los otros pequeños puntos rojos contendrían una mezcla variable de luz BH* y luz de las estrellas y el gas circundantes.
Implicaciones para el rápido crecimiento temprano de las galaxias
Si los objetos BH* son reales, podrían ayudar a aclarar otro enigma de larga data. Trabajos teóricos anteriores sobre agujeros negros de masa intermedia algo más pequeños sugirieron que tal configuración encerrada en gas podría permitir un crecimiento muy rápido de los agujeros negros en el universo temprano. JWST ya ha revelado evidencia temprana de agujeros negros inusualmente masivos. Si las estrellas de los agujeros negros supermasivos crecen de manera similar, podrían proporcionar un nuevo mecanismo para explicar el rápido crecimiento. Sigue siendo incierto si los objetos BH* pueden lograr esto, pero si pudieran, afectaría significativamente los modelos de evolución temprana de las galaxias.
Incluso con estas ideas prometedoras, es necesario actuar con cautela. Los resultados son completamente nuevos y siguen la práctica estándar de informar el trabajo científico solo después de la aceptación por parte de revistas revisadas por pares. La aceptación generalizada de estas ideas depende de que se recopilen más pruebas en los próximos años.
Misterios restantes y observaciones futuras.
Los nuevos hallazgos marcan un gran paso adelante y ofrecen el primer modelo capaz de explicar la ruptura extrema de Balmer en The Cliff. Pero también plantean nuevas preguntas. ¿Cómo pudo formarse una estrella con un agujero negro así? ¿Qué permite que su inusual envoltura de gas persista durante tanto tiempo (especialmente porque los agujeros negros consumen gas y deben reponerse de alguna manera)? ¿Cómo surgen otras características espectrales de The Cliff?
Abordar estas cuestiones requerirá tanto modelos teóricos como más observaciones. El equipo de De Graaff ya tiene observaciones de seguimiento JWST programadas para el próximo año, dirigidas a The Cliff y otros Little Red Dots particularmente interesantes.
Estos estudios futuros ayudarán a determinar si las estrellas de los agujeros negros realmente desempeñaron un papel en la formación de las primeras galaxias. La perspectiva es intrigante, pero está lejos de ser definitiva.
Antecedentes y equipo de investigación.
El trabajo aquí descrito por A. de Graaff et al. Aceptado para publicación como “Un rubí extraordinario: absorción en gas denso en lugar de estrellas evolucionadas, ruptura extrema del pequeño punto rojo en z = 3,5” Astronomía y Astrofísica. Un artículo complementario, dirigido por Raphael Hviding, presenta una muestra más amplia de Little Red Dots de la encuesta RUBIES, publicada en la misma revista con el título “RUBIES: A Spectral Census of Little Red Dots – All Point Sources Have Broad Lines with V-Shaped Discontinuities”.
Entre los investigadores implicados se encuentran Anna de Graaf, Hans-Walter Rix y Raphael E. del Instituto Max Planck de Astronomía. Haviding, junto con Gabe Brammer (Cosmic Dawn Center), Jenny Green (Universidad de Princeton), Ivo Labbe (Universidad de Swinburne), Rohan Naidu (MIT), Bingzhi Wang (Universidad de Penn State) y otros colaboradores.
