GN-z11, la galaxia que habita junto al big bang

Eso, en términos cósmicos, es apenas un cuarto de hora después del origen del universo. Pero ¿cómo es una galaxia en ese momento tan temprano?

Se llama GN-z11, y tenemos noticia de su existencia desde marzo de 2016, cuando el astrónomo suizo Pascal Oesch publicó en The Astrophysical Journal su gran descubrimiento: la galaxia más lejana del universo conocido, situada a 32 000 millones de años luz de la Tierra. Se encuentra tan lejos de nosotros que la vemos tal y como era hace 13 400 millones de años, solo 400 millones de años después de la fecha estimada del big bang. Eso, en términos cósmicos, es apenas un cuarto de hora después del origen del universo. Pero ¿cómo es una galaxia en ese momento tan temprano?

Los científicos no dejan de investigarlo. En diciembre de 2020, el equipo del astrónomo chino Linhua Jiang, de la Universidad de Pekín (China), anunció un hallazgo muy controvertido sobre este misterio: tras analizar todos los datos de GN-z11 obtenidos en abril de 2017 desde el observatorio Keck de Hawái (EE. UU.), Linhua descubrió que la galaxia había aumentado su tamaño, y que durante tres minutos se había vuelto cientos de veces más brillante. ¿Qué había sucedido? El astrónomo chino plantea una teoría solvente para explicarlo: que las galaxias jóvenes tienen una actividad mucho mayor de lo que se pensaba. Y esto puede hacer cambiar nuestra comprensión de cómo se conformó el universo temprano nacido tras el big bang, una fase de la historia del cosmos que ahora mismo es un espeso manto de sombra para el conocimiento humano.

“Debimos haber elegido un nombre mejor para esta galaxia, uno más divertido –bromea Pascal Oesch, el descubridor de GN-z11, en declaraciones a MUY–. GN viene de GOODS-North, que es como se denomina su ubicación en el campo de galaxias, y z11 apela a su desplazamiento al rojo, que es el indicador de la distancia que la separa de nosotros”. GN-z11 se encuentra en la constelación de la Osa Mayor, una vieja conocida de la civilización, también llamada vulgarmente Carro Mayor.

El hallazgo de GN- z 11 es otro más de los hechos con el telescopio Hubble. Para detectar esta galaxia, Oesch y su equipo usaron la cámara WFC3 –Wide Field Camera 3–, instalada en mayo de 2009 en la cuarta misión de reparación que la NASA envió a este telescopio de trece metros de longitud y once toneladas de peso que flota a 590 kilómetros de nosotros. La cámara, desarrollada por el Centro Espacial Goddard de la NASA en Washington, ve grandes zonas del espectro electromagnético invisibles para la vista humana. Así que la WFC3 es el ojo del Hubble para detectar galaxias muy lejanas y diminutas. La NASA ha bautizado a ese programa del Hubble para el rastreo y observación del cosmos como el sondeo profundo de los orígenes de los grandes observatorios –Great Observatories Origins Deep Survey (GOODS)–.

GN-z11 es una galaxia muy joven –explica Oesch–. Tiene unas cien veces menos masa que nuestra Vía Láctea y es veinticinco veces más pequeña que esta. Sin embargo, está formando estrellas a un ritmo veinte veces más alto que la Vía Láctea. En general, las galaxias con ese tiempo se hallaban todavía en una fase de crecimiento muy veloz, de modo que convertían muy rápidamente sus gases en estrellas, que es la manera de generar cada vez más masa”.

“El dato curioso –añade Oesch– es que en realidad la galaxia había sido vista algunos años antes por dos instrumentos del Hubble. Sin embargo, por su alta luminosidad, se pensó que se trataría de una galaxia mucho más cercana”. Cuando el equipo del suizo la observó en 2015, ese mismo año, gracias al telescopio Keck de Hawái, se había logrado superar varias veces el récord registrado de distancia galáctica. “Cuando finalmente medimos la de GN-z11, resultó superar en mucho a la fuente luminosa más lejana conocida, la galaxia EGSY8p7, con un desplazamiento al rojo mucho menor, de 8,68”, señala Oesch. Es decir, que la vemos ahora tal y como era hace unos 13 200 millones de años, casi al principio de todo.

En cuanto empezó a estar operativa la cámara  WFC3 en el Hubble, el equipo de Oesch detectó la galaxia, aunque en ese momento no era más que una fuente luminosa. Había que trabajar los datos que llegaban para confirmarlo. “GN-z11 era parte de una muestra de cuatro galaxias que parecían estar en un desplazamiento al rojo de z=10, que era la distancia de las fuentes más lejanas conocidas hasta ese momento. De todas ellas, GN-z11 era la más luminosa de todas y por eso nos centramos en ella”, recuerda Oesch. Cuando obtuvieron los datos que llevaron a su medición final, los presagios se confirmaron. Y por mucho. “La distancia resultó ser aún mayor de lo que habíamos estimado originalmente a partir de las imágenes tomadas, lo que hizo que esta galaxia fuera realmente única. No habíamos esperado encontrar una fuente luminosa a tanta distancia, en los límites mismos de la capacidad del Hubble”, reconoce el astrónomo suizo.

En el siglo XXI, simplemente decimos: el Hubble ha descubierto una galaxia. Pero la realidad es mucho más compleja que esa mera frase. El Hubble recoge radiaciones electromagnéticas –la luz es una de ellas, pero no la única– en diferentes espectros –el visible, el infrarrojo y el ultravioleta–, y, a partir de esos datos recabados, procedentes de un rincón del universo, los científicos tienen que ponerse a trabajar –analizarlos, depurarlos y traducirlos– para llegar a una conclusión concreta sobre qué es eso que este telescopio ha visto y obtener la fotografía final. Es un proceso de meses y años; y no solo es tecnológico, sino que se asienta sobre el conocimiento científico acumulado desde hace, al menos, casi cuatro siglos.

En la medición de galaxias lejanas es esencial el concepto del desplazamiento al rojo, pero ¿qué significa? Esta historia podría comenzar con Isaac Newton (1642-1727) y sus investigaciones sobre los espectros de la luz solar, que Newton descomponía con un prisma para analizarlos. El hallazgo fundamental llegó en 1842 con el llamado efecto Doppler, nombrado así por el científico austriaco que lo explicó, Christian Doppler (1803-1853). Este efecto consiste en que el ruido de un vehículo se oye más agudo cuando viene hacia nosotros y más grave cuando se aleja, una vez que ha pasado por nuestra posición. Doppler descubrió que esto se debe a la acción del cuerpo emisor del ruido –el vehículo, en este ejemplo– sobre las longitudes de onda del sonido que emite al desplazarse. El efecto Doppler, aplicado al cosmos, revolucionaría la historia de la astronomía.

Albert Einstein derribó el enfoque newtoniano al publicar en 1914 su teoría general de la relatividad, que completó tres años más tarde al añadir la constante cosmológica para garantizar que el universo fuera estático y finito, como él pensaba que debía ser, aunque las matemáticas aplicadas en su teoría apuntaran a lo contrario.

A partir de ahí, la historia prosigue al otro lado del Atlántico. En el observatorio de Flagstaff (Arizona), el astrónomo Vesto Slipher (1875-1969) iba a unir la espectrometría –¿recuerdan a Newton y su prisma?– y el efecto Doppler. Observando la nebulosa de Andrómeda –la llamaban así, nebulosa, porque aún no sabían que era otra galaxia–, Slipher se percató de que la luz proveniente del universo se desplaza hacia nosotros en longitudes de onda cortas o largas. En el caso de Andrómeda, se trataba de ondas de longitud más cortas, por lo que esa luz tendía hacia el color azul al ser analizada en un espectrómetro –puesto que el ojo humano no puede ver en ese rango–.

Así fue como Slipher se dio cuenta de que en el espacio operaba el mismo efecto que Doppler había explicado para las ondas sonoras: el cuerpo emisor de cualquier radiación electromagnética –entre ellas, la luz– altera la longitud de onda de dicha radiación y esto influye en el color con el que la recibimos. Así que un desplazamiento de la luz hacia el azul indica que el objeto que la emite se acerca hacia nosotros. Slipher descubrió de este modo que la galaxia de Andrómeda se aproxima hacia la Vía Láctea; de hecho, la NASA calcula que la colisión entre ambas se producirá dentro de alrededor de 4500 millones de años.

Pero lo más revelador fue que Slipher llegó también a la conclusión contraria: un desplazamiento de la luz hacia el rojo, absolutamente mayoritario al observar el universo desde la Tierra, indica una longitud más larga de las ondas, y, por lo tanto, que el objeto que las emite se aleja del observador, es decir, de la Tierra. Pero no se trata de que el objeto en sí se aleje por su propio movimiento: se aleja porque dicho cuerpo habita en un universo en expansión. La constante cosmológica quedaba hecha trizas. El universo no era ni estático ni finito, como había creído Einstein. Era dinámico. Y se expandía.

El golpe definitivo llegaría poco después, de la mano del hombre cuyo apellido acabó nombrando el telescopio que halló la GN-z11: Edwin Hubble (1889-1953). Desde su observatorio de Mount Wilson, en California, descubrió que la velocidad de alejamiento de las galaxias era proporcional a la distancia entre ellas; es decir, cuanto más lejos están, a mayor velocidad se desplazan. Es la llamada ley de Hubble. El astrónomo estadounidense continuó con el razonamiento y concluyó que, si se rebobinaba esa especie de cinta del universo, el origen de todo habría debido ser un mismo punto a partir del cual habría empezado a expandirse todo: el big bang. La última y más ajustada medición de la gran explosión la hizo el satélite COBE de la NASA, que operó entre 1989 y 1993. El proyecto, por el que John C. Mather y George F. Smoot obtuvieron el Nobel de Física en 2006, estableció que el universo tiene la nada bíblica cifra de 13 800 millones de años.

De modo que desde el cosmos nos llegan señales, radiaciones. Si la luz de esas radiaciones electromagnéticas se desplaza hacia el rojo, proceden de un elemento que se está alejando. Analizando la intensidad de ese rojo, se puede calcular cómo de lejos está dicho objeto, un viaje que no solo se da en el espacio, sino también en el tiempo, porque esa luz tarda en llegar hasta nosotros. Cuando Oesch descubrió GN-z11, ese corrimiento al rojo de 11, traducido al lenguaje común, significa que vemos esta galaxia no como es ahora, sino como era hace 13 400 millones de años, 400 millones de años después del big bang. Mirar hacia GN-z11 es hacerlo hacia el universo recién nacido, puesto que los astrónomos creen que las estrellas se formaron apenas 100 millones de años tras el big bang.

Ese universo incipiente podría no estar tan inactivo como se ha pensado hasta ahora. El descubrimiento de GN-z11 fue una señal sobre esta teoría, que se ha visto reforzada recientemente con el hallazgo citado al inicio del reportaje, esto es, el realizado por Linhua sobre esta galaxia lejana. Linhua sostiene que las galaxias jóvenes –y, por lo tanto, el universo en esa etapa más o menos inicial– tienen una actividad mucho mayor de la que se piensa.

En dos artículos publicados en diciembre de 2020 en Nature Astronomy, Linhua y su equipo revelaron que habían detectado un estallido de rayos gamma procedente de GN-z11. Estos estallidos son las explosiones más potentes que se producen en el universo: algunas de ellas liberan más energía en apenas diez segundos que la que el Sol emitiría en 10 000 millones de años. Y como suele suceder en muchos grandes descubrimientos, todo ocurrió por casualidad. “Observamos GN-z11 en abril de 2017, pero nuestro objetivo no era encontrar ningún estallido de rayos gamma, porque la probabilidad de hacerlo es extremadamente baja –explica Linhua a MUY–. Nuestro propósito consistía en detectar algunas emisiones de la galaxia para tratar de hacer una medición más ajustada de su desplazamiento al rojo, y así intentar afinar más sobre cómo de lejos se encuentra.

“Durante la observación –prosigue el científico chino–, por puro azar, captamos un estallido de rayos gamma procedente de GN-z11. No advertimos esto hasta una semana más tarde, cuando analizamos la información recopilada”. De hecho, lo que el equipo de Linhua halló no fue la radiación gamma directa, sino un resto de ella. “Los rayos gamma solo pueden detectarse con satélites espaciales [puesto que son absorbidos por la atmósfera de la Tierra], y nosotros hicimos la observación desde el Observatorio Keck de Hawái”.

Lo que captaron los espectrómetros del observatorio fue un estallido casi infrarrojo con una duración observada de menos de 245 segundos, según revelan en uno de los artículos publicados en Nature. En él, Linhua asegura que algunos estallidos de rayos gamma son asociados con brillantes destellos ultravioletas. Pero ¿no había recibido el equipo de Linhua rayos infrarrojos? La explosión gamma en la galaxia habría emitido una radiación ultravioleta, pero, por el efecto Doppler, “y debido a la expansión del universo, esta habría llegado a la Tierra convertida en radiación infrarroja, que fue la detectada por el observatorio de Hawái”, explica el experto. De nuevo Newton, Doppler, Slipher y Hubble.

Para confirmar que estaban en lo cierto, el equipo de Linhua verificó que la señal procedía del espacio y no de la Tierra. Después, tras descartar la posible procedencia artificial de esa radiación infrarroja –un satélite, por ejemplo–, concluyeron que el origen de la señal había sido un resto de los rayos ultravioletas procedentes de un estallido de rayos gamma. Este se había producido en GN-z11, y ellos lo habían visto en directo, lo cual resulta casi milagroso.

El hallazgo puede ser de una importancia trascendental, como explica Linhua: “Las explosiones de rayos gamma están asociadas con las estrellas masivas, de un tamaño de veinte a treinta soles. Cuando vemos una explosión de ese tipo, significa que ha muerto una de esas estrellas. Se les acaba el combustible del núcleo y la gravedad las hace colapsar. El estallido es tan potente que puede ser visto a distancias enormes. Cuando uno observa algo así, tienes la prueba de que ya había ese tipo de estrellas en ese periodo observado”.

Los astrónomos piensan que las primeras estrellas se formaron entre 100 y 150 millones de años después del big bang, y que las primeras galaxias comenzaron a generarse unos 100 millones de años más tarde. Por lo tanto, GN-z11 no sería una galaxia de primera generación. De hecho, el equipo de Linhua descubrió en su observación que algunas emisiones recibidas de la galaxia tenían su origen en gas con carbono y oxígeno doblemente ionizados, lo que sugiere una gran abundancia de metales, elementos que no contendrían las galaxias de primera generación.

Esa es también la época en que las semillas de los primeros agujeros negros supermasivos comenzaron a formarse y a crecer. Esos misteriosos objetos astrofísicos reionizaron gradualmente el universo. “Nuestro hallazgo –explica Linhua– significa que las condiciones físicas de esa galaxia en particular, o al menos de algunas de las galaxias muy distantes, podrían ser diferentes de las de un desplazamiento al rojo más bajo, es decir, de las que se encuentran más cerca de la Vía Láctea. Pero necesitamos los futuros telescopios para comprender plenamente este tipo de galaxias, que son demasiado débiles y se encuentran demasiado lejos para la capacidad de los observatorios actuales”.

El telescopio espacial que está llamado a revolucionar esa mirada es el James Webb, cuyo lanzamiento está previsto por la NASA para el 18 de diciembre de 2021. Estará ubicado a 1,5 millones de kilómetros de la Tierra, tan lejos que, al contrario de lo que pasa con el Hubble, no se podrán enviar astronautas a repararlo. A cambio, el James Webb, por su ubicación privilegiada y por la potencia de sus equipos, ofrecerá a la humanidad las mejores vistas del universo que jamás haya tenido. “Cuando esté desplegado, los astrónomos podremos rastrear mucho más lejos y profundamente, y por tanto, encontraremos un montón de galaxias a la misma distancia que GN-z11 y hasta más lejos”, afirma Oesch.

Pero ¿cómo de lejos? ¿Hasta cuán cerca del big bang será posible observar desde las proximidades de la Tierra si se cuenta con la tecnología necesaria para ello? “Es un aspecto que no está claro todavía –explica Oesch–, dependerá de cómo de rápido se formaron en el universo temprano las poblaciones de galaxias. Las actuales estimaciones calculan que podríamos ser capaces de ver hasta unos 300 millones de años después del big bang”. Si el cosmos fuera una persona centenaria a quien acabamos de conocer, ese dato equivaldría a poder usar una cámara para ver desde el presente la vida de sus 98 años anteriores.

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