Las observaciones del universo temprano realizadas por el Telescopio Espacial James Webb (JWST) no pueden explicarse con los modelos cosmológicos actuales. Estos modelos estiman que el universo tiene una edad de 13.800 millones de años, basándose en el concepto de universo en expansión big-bang.
Mi investigación propone un modelo que determina que la edad del universo es de 26.700 millones de años, lo que explica las observaciones de las “galaxias tempranas imposibles” del JWST.
El término “imposibles” hace alusión a que algunas galaxias que datan del amanecer cósmico –entre 500 y 800 millones de años después del big bang– presentan discos y protuberancias similares a las que han pasado por un largo periodo de evolución. Y las galaxias de menor tamaño son aparentemente más masivas que las más grandes, lo cual contradice todo lo esperado.
Frecuencia y distancia
La estimación de la edad se obtiene a partir de la velocidad de expansión del universo, midiendo el desplazamiento al rojo de las líneas espectrales de la luz emitida por galaxias lejanas. Una interpretación anterior del corrimiento al rojo se basaba en la hipótesis de que la luz pierde energía a medida que recorre distancias cósmicas. Esta “explicación a la la luz cansada” fue rechazada porque contradecía muchas observaciones.
El desplazamiento al rojo de la luz es similar al efecto Doppler del sonido: los ruidos parecen tener una frecuencia (tono) más alta cuando se acercan y más baja cuando se alejan. El corrimiento al rojo, una frecuencia de luz más baja, indica cuándo un objeto se aleja de nosotros. En consecuencia, cuanto mayor es la distancia de la galaxia, mayor es la velocidad de recesión y el corrimiento al rojo.
Una explicación alternativa del corrimiento al rojo sería que las galaxias lejanas se alejan de nosotros a velocidades proporcionales a su distancia, lo que indica que el universo se está expandiendo. El modelo del universo en expansión pasó a ser el preferido por la mayoría de los expertos después de que dos astrónomos que trabajaban para los Laboratorios Bell, Arno Penzias y Robert Wilson, descubrieran accidentalmente la radiación cósmica de fondo de microondas (CMB) en 1964, algo que el modelo de estado estacionario no podía explicar satisfactoriamente.
El ritmo de expansión determina esencialmente la edad del universo. Así, hasta el lanzamiento del telescopio espacial Hubble en la década de 1990, la incertidumbre en la tasa de expansión estimaba la edad del universo entre 7.000 y 20.000 millones de años. Otras observaciones condujeron al valor actualmente aceptado de 13.800 millones de años, colocando el modelo del big bang en el pedestal de la cosmología.
Limitaciones de los modelos anteriores
Una investigación publicada el año pasado propuso resolver el problema de las primeras galaxias imposibles utilizando el modelo de la luz cansada. Sin embargo, la luz cansada no puede explicar satisfactoriamente otras observaciones cosmológicas como los corrimientos al rojo de las supernovas y la uniformidad del fondo cósmico de microondas.
Intenté combinar el modelo estándar del big bang con el modelo de la luz cansada para ver cómo se ajustaba a los datos de las supernovas y a los del JWST, pero tampoco cuadraba. Sin embargo, aumentó la edad del universo a 19.300 millones de años.
A continuación, intenté crear un modelo híbrido que incluyera la luz cansada y un modelo cosmológico que había desarrollado basándome en las constantes de acoplamiento evolutivas propuestas por el físico británico Paul Dirac en 1937. Este modelo se ajustaba bien a los datos, pero casi duplicaba la edad del universo.
El nuevo modelo amplía el tiempo de formación de las galaxias entre 10 y 20 veces con respecto al modelo estándar, lo que da tiempo suficiente para la formación de galaxias primitivas “imposibles” bien evolucionadas, como se ha observado.
Como todo modelo, para consolidarse tendrá que ofrecer una explicación satisfactoria de todas las observaciones que satisface el modelo cosmológico estándar.
Mezcla de modelos
El planteamiento de mezclar dos modelos para explicar nuevas observaciones no es nuevo. Isaac Newton consideró que la luz se propaga como partículas en su teoría de la luz, que prevaleció hasta que fue sustituida por la teoría ondulatoria de la luz en el siglo XIX para explicar los patrones de difracción observados con la luz monocromática.
Albert Einstein resucitó la naturaleza de partícula de la luz para explicar el efecto fotoeléctrico, es decir, que la luz tiene características duales: de partícula en algunas observaciones y de onda en otras. Desde entonces ha quedado bien establecido que todas las partículas tienen esas características duales.
Otra forma de medir la edad del universo consiste en estimar la edad de las estrellas de los cúmulos globulares de nuestra galaxia la Vía Láctea. Los cúmulos globulares incluyen hasta un millón de estrellas, y todas parecen haberse formado al mismo tiempo en el universo primitivo.
Si suponemos que todas las galaxias y cúmulos comenzaron a formarse simultáneamente, la edad de la estrella más antigua del cúmulo debería proporcionar la edad del universo (restando el momento en que comenzaron a formarse las galaxias). Para algunas estrellas como Matusalén, que se cree que es la más antigua de la galaxia, el modelado astrofísico arroja una edad superior a la edad del universo determinada utilizando el modelo estándar, lo cual es imposible.
Einstein creía que el universo es el mismo observado desde cualquier punto en cualquier momento: homogéneo, isótropo y atemporal. El astrónomo suizo Fritz Zwicky propuso la teoría de la luz cansada en 1929 para explicar el desplazamiento al rojo de las galaxias distantes en un universo en estado estacionario, que parecía aumentar en proporción a su distancia (ley de Hubble).
La información del JWST lo cambiará todo
Aunque algunas observaciones del telescopio espacial Hubble apuntaban hacia el imposible problema de las galaxias primigenias, no quedó firmemente establecido hasta el lanzamiento del JWST en diciembre de 2021. Y, sobre todo, a partir de los datos que nos ha proporcionado desde mediados de 2022.
Para defender el modelo estándar del big bang, los astrónomos han intentado resolver la cuestión comprimiendo el plazo para la formación de estrellas masivas y los agujeros negros primordiales acumulando masa a ritmos no físicamente elevados.
Sin embargo, se está desarrollando un consenso hacia una nueva física que explique estas observaciones del JWST.
Rajendra Gupta, Adjunct professor, Physics, L’Université d’Ottawa/University of Ottawa.
Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.
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