Las galaxias más antiguas que las primeras estrellas

Quizás te preguntes si las primeras estrellas tienen z=9, ¿cómo es posible que se hayan observado galaxias con z=12? La galaxia (confirmada) más antigua (z8_GND_5296) tiene z = 7,51. Los candidatos a galaxia más antiguos son UDFj-39546284, con z=11,9, y MACS 0647-JD, con z=11. La misión más importante del futuro telescopio espacial James Webb de la NASA será observar cientos de estos objetos de alto desplazamiento al rojo para determinar si en realidad son galaxias o por el contrario son otra cosa.

La mayoría de los objetos de alto desplazamiento al rojo se han observado con la cámara WFC3/IR del telescopio espacial Hubble. Gracias al efecto de lente gravitacional se han observado (candidatos a) galaxias con z ∼ 10−12. La emergencia rápida de galaxias cuando el universo tenía sólo unos 200 millones de años entra en conflicto con las teorías actuales sobre la evolución del universo durante la edad oscura según el modelo ΛCDM. Un problema relacionado es la aparición temprana de agujeros negros supermasivos con miles de millones de masas solares. Todavía no se tiene una solución definitiva a estas cuestiones.

Dibujo20150206 LCDM vs Rh-ct theories for dark ages evolution of the unvierse - arxiv - iop

Se han propuesto soluciones ad hoc, como el universo Rh = ct de Fulvio Melia (Univ. Arizona, EEUU), “The Premature Formation of High Redshift Galaxies,” The Astronomical Journal 147: 120, 2014, doi:10.1088/0004-6256/147/5/120arXiv:1403.0908 [astro-ph.CO]; “On recent claims concerning the Rh = ct Universe,” MNRAS 446: 1191-1194, 2015, doi:10.1093/mnras/stu2181arXiv:1406.4918 [astro-ph.CO].

Una posible solución al problema es que los objetos con z>9 sean agujeros negros supermasivos que se formaron antes que las primeras estrellas. Normalmente se piensa que un agujero negro se forma por el colapso de una estrella y que crece hasta llegar a ser supermasivo por coalescencia de agujeros negros de masa intermedia. Sin embargo, una nube de gas de densidad constante con un radio suficientemente grande puede dar lugar a la formación de un agujero negro por colapso gravitatorio sin que haya ninguna estrella en dicha nube.

Dibujo20150206 black hole formation - nature

La densidad de un agujero negro supermasivo es muy pequeña. El radio de Schwarzschild (Rs=2GM/c²) de un cuerpo es proporcional a su masa y a su volumen si la densidad de masa (ρ) es constante. Pero el radio de un cuerpo es proporcional a la raíz cúbica de su volumen (M=4πρR³/3). Por tanto, el radio de Schwarzchild crece más rápido que el radio del cuerpo. Un gas con densidad constante que ocupe un volumen muy grande (R=Rs) dará lugar a una agujero negro con una masa comparable a la contenida en dicho volumen. Para una densidad igual a la del agua líquida (1000 kg/m³), un volumen que contenga 136 millones de masas solares acabará formando un agujero negro supermasivo. Para la densidad de un elefante de 5 000 kg colocado en una región de 100 m³ se tiene una densidad media de 50 kg/m³; el radio de la nube de gas con esta densidad será similar a la distancia entre Saturno y el Sol. Una distancia enorme que a la escala del universo es insignificante. Gracias a este fenómeno los agujeros negros supermasivos se pudieron formar antes que las estrellas. Y con ellos los cuásares con z>9. Por cierto, los datos para el elefante los he sacado de Pedrokb, “Cómo construir un agujero negro usando elefantes,” Cuentos Cuánticos, 23 Nov 2012.

En resumen, los candidatos a galaxias con z>9 bien podrían ser cuásares (agujeros negros supermasivos con un disco de acreción de materia) que nacieron antes de las primeras estrellas. Las galaxias más antiguas que las primeras estrellas en realidad no son galaxias, aunque se comporten como núcleos galácticos activos. Quién fue primero el huevo o la gallina, …



14 Comentarios

  1. Si la densidad de un elefante fuera de 50 kg/m3 (o sea, 5% de la del agua), flotaría al sumergir solo el 5% de su cuerpo. Ciertamente no es lo que observamos en los documentales. ¿Se equivocó Cuentos Cuánticos? No: ahí se dice que si ponemos un elefante de 5000 kg por cada 100 m3, nos resulta una densidad promedio de 50 kg/m3.

  2. Bueno, la densidad de un elefante es parecida a la del agua. Por eso nadan en vez de caminar sobre las aguas cual profeta bíblico 😛 Supongo que quieres decir la densidad de una jaula que contiene un elefante.

  3. ¿Como se define densidad de un agujero negro? por lo que entiendo, la singularidad misma es adimensional (no se puede definir densidad). el radio de Schwarzchild genera un sector del espacio que es inobservable asociado a la singularidad.

  4. Antonio: me refiero a que cuando Francis dice «Para la densidad de un elefante (50 kg/m³)…», debió haber escrito «si ponemos un elefante de 5 toneladas cada 100 m³…» o algo parecido, porque, evidentemente, la densidad de los elefantes no es 50 kg/m³

  5. Fascinante pero tengo una duda.
    Son tan fiables las mediciones a través de las lentes gracitacionales? .
    Yo supongo que en función de la masa que genera la lente ésta tendrá un aumento u otro y haga variar el parametro Z, me equivoco?.
    Gracias Francis, un saludo.

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 6 febrero, 2015
Categoría(s): ✓ Astrofísica • Ciencia • Física • Physics • Science
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