LA PERLA NEGRA: UNA HUELLA DE POLVO 500 MILLONES DE AÑOS DESPUÉS DEL BIG BANG

El telescopio espacial James Webb no deja de descubrir que las galaxias se llenaron de metales y polvo sorprendentemente rápido, dentro de los primeros mil millones de años de la historia cósmica. El polvo es difícil de estudiar tan lejos: su propio brillo térmico es extremadamente difícil de detectar. Pero el polvo también deja marcas en la luz estelar que lo atraviesa, y una de ellas es especialmente reveladora.

Un hueco en el ultravioleta

En la Vía Láctea, el polvo atenúa la luz ultravioleta con una amplia «joroba» (bump) centrada cerca de los 2175 ángstroms: un hueco en el espectro, el rasgo más intenso de la curva de extinción de nuestra galaxia. Se atribuye de forma generalizada a pequeños granos o moléculas ricos en carbono, aunque todavía se debate cuáles exactamente: pequeños granos de grafito, hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP) y carbono amorfo figuran entre los candidatos. A lo largo de distintas líneas de visión en la Vía Láctea, la anchura y la intensidad de la joroba varían, pero su posición central es notablemente estable.

El Webb ha llevado la búsqueda al universo primitivo. Una detección histórica se produjo en una galaxia con desplazamiento al rojo 6,71, unos 800 millones de años después del Big Bang, con una joroba que alcanzaba su máximo en torno a 2263 Å, más roja que en la Vía Láctea. Otra, con desplazamiento al rojo 7,11, tiene su máximo en 2257 Å. En promedio, la joroba parece debilitarse hacia épocas más tempranas.

Una galaxia con desplazamiento al rojo 9,33

Giulia Rodighiero, de la Universidad de Padua y del INAF, y una cincuentena de coautores de Europa, América y Asia revisaron los espectros del instrumento NIRSpec del Webb procedentes de dos programas coordinados, ZENITH y EMBER. Examinaron fuentes más allá del desplazamiento al rojo 8, donde la región de 2175 Å queda cubierta, sin escoger las que ya mostraban una joroba. Una destacó. La llaman la Perla Negra; el artículo no dice por qué.

Las líneas de emisión del hidrógeno y del oxígeno la sitúan en un desplazamiento al rojo de 9,3335, vista tal como era unos 500 millones de años después del Big Bang. Es una galaxia bastante pequeña, con una masa estelar de unos 10^8,35 soles, que forma aproximadamente el equivalente a 2,4 soles en estrellas al año, y una de las galaxias más luminosas en el ultravioleta confirmadas espectroscópicamente más allá del desplazamiento al rojo 9.

Dos maneras de ver el mismo hueco

Su espectro muestra una amplia depresión justo donde estaría una joroba de polvo. El equipo la midió de dos formas independientes.

Primero, directamente: ajustar el continuo ultravioleta con una curva suave y medir la atenuación adicional. El hueco se detecta a 17,6 sigma, y añadir un perfil con forma de joroba mejora enormemente el ajuste (un χ² de 474 baja a 8,2). El perfil alcanza su máximo en 2132 ± 17 Å, con una anchura de 413 ± 54 Å y una atenuación máxima de 0,21 magnitudes. Las comprobaciones descartan como causa una línea de emisión de carbono cercana y una mezcla de líneas no resueltas.

Segundo, con un modelo completo de la galaxia —estrellas, gas, polvo y fotometría— que usa una ley de polvo flexible en la que la posición y la anchura de la joroba son libres. Las dos historias de formación estelar probadas recuperan una joroba, en torno a 2147 y 2168 Å, coherente con la medida directa aunque menos precisa.

¿Podría un agujero negro estar fingiéndola? Un núcleo activo puede producir un bosque de líneas de hierro que imita un hueco. Las líneas de emisión apuntan a un campo de radiación duro y dejan margen para cierta contribución de un núcleo, pero no para uno lo bastante intenso como para dominar el ultravioleta. Los autores se inclinan por el polvo, aunque señalan que no puede excluirse con firmeza un núcleo, «potencialmente incluso considerable».

Desplazado en el sentido equivocado

La anchura coincide con la de la Vía Láctea. La posición, no: 43 Å más azul que el promedio de nuestra galaxia, a unos 2,5 sigma, y unos 127 Å más azul que las dos jorobas conocidas en torno al desplazamiento al rojo 7, que están desplazadas hacia el rojo. Para los autores, esa diversidad es un argumento en contra de una joroba única y universal en el universo primitivo: los granos de polvo responsables probablemente diferían de una galaxia a otra.

¿Qué son? Los cálculos para los granos de grafito más pequeños se acercan al perfil de la Perla Negra, a diferencia del caso anterior con desplazamiento al rojo 6,71. Algunas moléculas individuales de HAP también pueden reproducirlo, pero los HAP escasean en las galaxias pobres en metales a menor desplazamiento al rojo, y la intensa radiación que se deduce aquí podría destruir las más pequeñas. Ambas opciones siguen siendo plausibles.

Polvo en 200 millones de años

El reloj que importa no son los 500 millones de años transcurridos desde el Big Bang, sino el tiempo desde que la galaxia empezó a formar estrellas. Si eso comenzó en torno al desplazamiento al rojo 14, hubo unos 200 millones de años disponibles. Las supernovas, el crecimiento de granos entre las estrellas y quizá las estrellas AGB de evolución más rápida podrían haber contribuido; cuánto aportó cada una sigue abierto.

Se trata de una sola galaxia, el desplazamiento de su joroba solo es significativo a unos 2,5 sigma, y las curvas de atenuación no se corresponden de forma unívoca con tipos de granos. El artículo se ha enviado a la revista ApJ. Su mensaje es que la forma de la joroba, y no solo su presencia, puede servir ahora para rastrear cómo se formó el primer polvo.