JWST descubre estrellas ocultas que podrían hacer hasta cuatro veces más masivas a las galaxias tempranas

Los astrónomos han identificado una fuente de masa que permanecía prácticamente oculta en galaxias lejanas: estrellas pequeñas, antiguas y poco luminosas. Aunque estas estrellas aportan muy poca luz, pueden representar una fracción importante de la masa total de una galaxia.

En un estudio de nueve galaxias masivas y pasivas situadas con un corrimiento al rojo de aproximadamente 0,7, un equipo internacional liderado por investigadores de la Universidad de Leiden encontró un exceso de estrellas de baja masa respecto a la distribución observada en la Vía Láctea.

Cómo detectaron las estrellas ocultas

El equipo combinó espectros ultraprofundos obtenidos con NIRSpec, el espectrógrafo infrarrojo del telescopio espacial James Webb, con espectros ópticos profundos y de longitudes de onda más azules procedentes del sondeo LEGA-C del Very Large Telescope, el telescopio del Observatorio Europeo Austral en Chile. LEGA-C estudia galaxias con corrimientos al rojo de aproximadamente 0,6 a 1,0, incluidas muchas galaxias masivas comparables a las de esta investigación.

La cobertura de distintas longitudes de onda fue esencial. Algunas señales del infrarrojo cercano del marco de reposo son sensibles a la presencia de estrellas enanas débiles, mientras que las observaciones ópticas ayudan a determinar la edad, la metalicidad y las abundancias de distintos elementos en las galaxias.

Al analizar ambos conjuntos de datos, los investigadores pudieron estimar la función inicial de masas —la distribución de masas con la que nacen las estrellas— en lugar de dar por hecho que todas las galaxias tienen una distribución idéntica a la de la Vía Láctea.

Una distribución “dominada” por estrellas pequeñas

La función inicial de masas, conocida como IMF por sus siglas en inglés, indica cuántas estrellas se forman en cada rango de masa. Una IMF dominada por estrellas de baja masa, o bottom-heavy, contiene una proporción mayor de estrellas pequeñas que la distribución utilizada habitualmente para la Vía Láctea.

El equipo encontró indicios de este patrón en las nueve galaxias masivas y pasivas de la muestra. Estas estrellas de baja masa son muy tenues y pueden pasar inadvertidas en observaciones convencionales, pero viven durante mucho tiempo y, en conjunto, aportan una cantidad considerable de masa.

Por eso, si se calcula la masa de una galaxia distante suponiendo una distribución de estrellas como la de la Vía Láctea cuando en realidad tiene una IMF dominada por estrellas pequeñas, la masa estelar total queda subestimada.

Dos galaxias pasan a ser entre tres y cuatro veces más masivas

El efecto es especialmente importante en los dos objetos más antiguos de la muestra. Los investigadores los consideran descendientes directos de las galaxias maduras que el James Webb ha observado en épocas sorprendentemente tempranas del universo.

Al aplicar la distribución de masas medida, la masa estelar estimada para esas dos galaxias aumenta entre tres y cuatro veces.

No se trata de un ajuste menor. La conclusión modifica la cantidad de materia que los modelos de formación galáctica deben reunir durante una etapa muy breve de la historia cósmica. Una de esas poblaciones estelares probablemente se formó menos de 1.500 millones de años después del Big Bang. Su galaxia progenitora habría tenido que acumular todavía más estrellas y hacerlo a mayor velocidad de lo que indicaban las estimaciones anteriores.

El resultado agrava el desafío planteado por el James Webb

El telescopio James Webb ya ha encontrado galaxias masivas y evolucionadas cuando el universo era mucho más joven de lo que predecían muchos modelos. Un ejemplo es GS-9209, una galaxia pasiva confirmada mediante espectroscopía con un corrimiento al rojo de 4,658, cuando el universo tenía aproximadamente 1.250 millones de años. El análisis inicial estimó una masa estelar de unos 3,8 × 10^10 masas solares.

El nuevo resultado no mide directamente la función inicial de masas de las galaxias situadas en los primeros cientos de millones de años después del Big Bang. Las mediciones robustas del estudio corresponden a galaxias con un corrimiento al rojo cercano a 0,7. Por tanto, aplicar el mismo comportamiento a las galaxias más antiguas observadas por el James Webb es una inferencia, no una medición directa de sus poblaciones estelares.

Si las galaxias tempranas también se formaron con una proporción inusualmente alta de estrellas pequeñas, sus masas reales podrían ser bastante mayores que las calculadas inicialmente. Esto intensificaría el problema para los modelos: no solo tendrían que explicar cómo aparecieron galaxias maduras tan pronto, sino también cómo reunieron una cantidad de masa estelar aún mayor en tan poco tiempo.

¿Más estrellas pequeñas significa también más planetas?

Las estrellas de baja masa pueden vivir durante periodos extremadamente largos y son posibles anfitrionas de sistemas planetarios. Si la formación estelar dominada por estrellas pequeñas era común en el universo joven, podrían haberse creado más estrellas longevas de este tipo de las que sugieren los cálculos basados en una distribución similar a la de la Vía Láctea. Eso, a su vez, podría elevar las estimaciones del número de sistemas planetarios que existieron durante las primeras etapas cósmicas.

Sin embargo, esta implicación sigue siendo especulativa. El estudio analizó poblaciones estelares, no planetas ni tasas de formación planetaria. Sus resultados cambian el número potencial de estrellas que podrían albergar planetas, pero no indican con qué frecuencia se formaron esos planetas ni si alguno pudo ser habitable.

El siguiente paso: mirar aún más atrás en el tiempo

Los investigadores planean aplicar la misma estrategia a galaxias con corrimientos al rojo progresivamente mayores. La combinación de espectros muy profundos y una amplia cobertura del espectro en el marco de reposo permitirá comprobar si el exceso de estrellas de baja masa persiste al acercarse a la época de las primeras estrellas.

A corrimientos al rojo suficientemente altos, las señales sensibles a la función inicial de masas se desplazan hacia el infrarrojo, una región que el James Webb puede observar.

Esas futuras mediciones ayudarán a determinar si la IMF dominada por estrellas pequeñas es una característica exclusiva de las galaxias masivas y pasivas estudiadas hasta ahora, un rasgo más general de la formación estelar temprana o un patrón que cambia con el tiempo cósmico y el entorno.