L'Univers primerenc era ple de 'plàtans'

Quina fila fa una galàxia acabada de néixer? Durant molt de temps, un gran nombre d’astrofísics i cosmòlegs ha donat per descomptat que les galàxies nounades s’assemblaven als globus i els discos retorçats que coneixem de l’Univers modern. Però, segons una anàlisi de noves imatges del telescopi espacial James Webb, les galàxies nounades no tenien ni forma ovalada ni de disc, sinó de plàtan, o de cogombret, o de cigar, o de planxa de surf, que cadascú triï la metàfora que més li agradi. Aquesta és la conclusió provisional d’un equip d’astrònoms que ha reexaminat imatges d’unes 4.000 galàxies a l’albada dels temps, quan tot just s’acabaven de formar, captades pel telescopi Webb.

“És un resultat alhora sorprenent i inesperat, tot i que amb el Hubble ja n’hi havia indicis”, explica Viraj Pandya, investigador postdoctoral de la Universitat de Colúmbia, en al·lusió al telescopi espacial Hubble. El Dr. Pandya és el primer signant d’un article publicat a la revista Astrophysical Journal amb el títol provocador de “Galaxies Going Bananas” (s’hi juga amb el doble sentit de bananas en anglès: “plàtans” i “perdre el cap”).

Si el resultat se sosté, podria alterar profundament la comprensió de com sorgeixen i creixen les galàxies, segons els astrònoms. També podria aportar informació sobre la naturalesa misteriosa de la matèria fosca, una forma desconeguda i invisible de matèria que, segons els astrònoms, conforma la major part de l’Univers, superant la matèria atòmica en una proporció de 5 a 1. La matèria fosca engoleix les galàxies i els proporciona els vivers gravitatoris en què sorgeixen les galàxies noves.

Els indicis del Hubble

El resultat pren el relleu d’indicis obtinguts en observacions anteriors del telescopi Hubble segons les quals les primeres galàxies tenien forma de cogombret, comenta Joel Primack, astrònom de la Universitat de Califòrnia (campus de Santa Cruz) i un dels autors del nou article.

En un correu electrònic, Alan Dressler, dels Observatoris Carnegie, que no ha participat en el treball del Dr. Pandya, qualifica el resultat com a important: "Sí, crec que és extremadament important, si és cert”. I afegeix: “Conservo un cert escepticisme cap a aquest resultat per la dificultat de dur a terme els mesuraments, especialment en galàxies llunyanes, petites i no gaire brillants”.

L’equip del Dr. Pandya ha analitzat les imatges de les galàxies que es troben en una parcel·la de cel més petita que una lluna plena coneguda com a Franja de Groth Estesa, la qual han investigat molts altres telescopis, entre ells, el Hubble. Les imatges les havia obtingut una col·laboració internacional anomenada CEERS (Cosmic Evolution Early Release Science).

L’equip té previst ampliar les seves observacions per fer-les extensives a altres zones del cosmos ben estudiades. “Això ens permetrà identificar galàxies amb altres formes tridimensionals per tota la volta celeste” i facilitarà l’obtenció d’observacions espectroscòpiques posteriors, que són molt necessàries, escriu el Dr. Pandya en un correu electrònic.

L'origen de les galàxies

Les galàxies són les ciutats-estat del cosmos. A l’Univers visible es calcula que n’hi ha uns dos bilions i cadascuna conté fins a un bilió d’estrelles. L’Univers visible, però, no és més que una part del que existeix al cosmos. La majoria de la matèria que hi ha sembla prendre la forma de matèria fosca. Sigui el que sigui la matèria fosca, constitueix l’esquelet invisible de l’Univers que veiem.

Actualment, els astrònoms creuen que el germen de les galàxies van ser les fluctuacions en la densitat de la matèria i l’energia durant el Big Bang. A mesura que l’espai es va anar expandint, les regions més denses van quedar enrere i s’hi va acumular matèria fosca que arrossegava alhora matèria normal. Finalment, aquest material va tornar a aplegar-se i es va il·luminar en forma d’estels i galàxies o bé va desaparèixer a l’interior de forats negres. El telescopi Webb va ser dissenyat per investigar aquest temps misteriós i formatiu. Amb un mirall gegantí i sensors d’infrarojos, és capaç de copsar les galàxies més llunyanes i, per tant, més antigues.

Galàxies en forma de plàtan

El Dr. Pandya i els seus col·legues han investigat la forma tridimensional de les galàxies analitzant-ne estadísticament les projeccions bidimensionals al cel. Si aquestes galàxies primerenques fossin globus o discos orientats de manera aleatòria a l’espai, haurien de mostrar ocasionalment la seva cara completa, deixant-se veure des dels telescopis amb formes rodones i circulars. Però no és això el que veuen els astrònoms, sinó un munt de cigars i de plàtans. “Tenen reiteradament un aspecte lineal —afirma el Dr. Pandya— i algunes galàxies presenten nombroses aglomeracions brillants disposades com les perles d’un collaret”.

Les galàxies oblongues com les que descriu el Dr. Pandya són una raresa avui dia, però constitueixen el 80% de la mostra del CEERS, que es remunta a 500 milions d’anys després del Big Bang. “Tenen una massa tan considerable que serien les progenitores de galàxies com la Via Làctia —explica el Dr. Pandya—, la qual cosa implica que la nostra galàxia podria haver passat per una fase morfològica semblant de cigar o planxa de surf en el passat”.

A l’Univers modern, les galàxies semblen presentar dues formes bàsiques: anodins núvols arrodonits anomenats galàxies el·líptiques i discos aplanats amb espirals com la nostra Via Làctia. Segons sembla, les primeres galàxies no tenien aquesta morfologia. Els astrònoms sospiten que el motiu està relacionat amb les propietats de la matèria fosca. Ara bé, no saben ben bé quines ni com hi influïen.

La misteriosa matèria fosca

La teoria amb més predicament sosté que la matèria fosca està formada per núvols de partícules subatòmiques exòtiques romanents del Big Bang. Segons les simulacions per ordinador, la matèria normal, atreta cap a aquests núvols per la gravetat, es condensaria i s’encendria formant estrelles i galàxies.

En una variant popular anomenada matèria fosca freda, aquestes partícules romanents serien pesades i lentes en comparació amb els protons, els neutrons i la resta d’habitants més coneguts del món atòmic quàntic. Les simulacions informàtiques indiquen que la matèria fosca freda s’aglomeraria fàcilment donant lloc als patrons a gran escala que els astrònoms observen al cel.

Arribar a identificar aquestes partícules lentes i pesades sacsejaria el món de la física de partícules i la cosmologia. De moment, però, els experiments en laboratoris com el Gran Col·lisionador d’Hadrons del CERN no han estat capaços de produir o detectar cap partícula de matèria fosca freda. Darrerament, l’interès s’ha desplaçat cap a altres formes hipotètiques de matèria fosca, entre les quals hi ha tot un ventall —un “sector fosc”— de partícules “fosques” que interactuen de manera invisible mitjançant forces “fosques”.

Una d’elles són els axions, els quals en teoria són extremadament lleugers i actuen més com ones que no pas com partícules: és la “matèria fosca difusa”. En simulacions informàtiques de la formació de galàxies, aquestes ones poden interferir les unes en les altres, generant estructures filamentoses amb nòduls en lloc de les formes arrodonides que es prediuen amb la matèria fosca freda.

“Sí, la relació amb la matèria fosca és prometedora”, diu el Dr. Pandya, i afegeix que el diable s’amaga en els caòtics detalls de la “gastrofísica”, disciplina que descriu com les turbulències, els gasos calents i els camps magnètics interactuen per arribar a encendre els estels i les galàxies.

Una nova generació de telescopis

Els últims anys, Jeremiah Ostriker, professor emèrit d’astrofísica de la Universitat de Princeton actualment afiliat a la Universitat de Colúmbia, s’ha dedicat a l’estudi de la matèria fosca difusa. El 1973, el Dr. Ostriker i el seu company de Princeton James Peebles van assenyalar el paper destacat de la matèria fosca en l’estabilització de les galàxies.

El Dr. Ostriker i altres experts han indicat que la matèria fosca difusa hauria deixat la seva pròpia firma en la grandària i la forma de les primeres galàxies. Pel seu caràcter afí a les ones, els axions no s’aglomerarien de manera tan efectiva com la matèria fosca freda. Per tant, difícilment produirien galàxies novelles de menys de mil milions de masses solars. La matèria fosca freda, per contra, no té aquesta limitació. Tot i que els telescopis actuals ja són prou sensibles per observar aquestes galàxies acabades de formar, potser caldrà una generació d’instruments encara més grossos per enllestir la feina.