El James Webb descubre una gran galaxia espiral de cuando el universo apenas tenía 1.500 millones de años de vida
Una galaxia espiral perfectamente trazada ha aparecido donde no debería: en pleno amanecer cósmico. El telescopio James Webb ha captado un sistema tan ordenado y maduro que obliga a reescribir la historia temprana del universo.
Por Enrique Coperías
Recreación artística de la galaxia Alaknanda, una sorprendente espiral de gran diseño detectada por el telescopio James Webb cuando el universo tenía solo 1.500 millones de años. El sistema, con dos brazos bien definidos y una masa de unos 10.000 millones de soles, desafía los modelos actuales de formación temprana de galaxias. Crédito: IA-DALL-E-RexMolón-Producciones
El telescopio espacial James Webb vuelve a sacudir los cimientos de la cosmología observacional. Entre las miles de galaxias captadas en el cúmulo Abell 2744, también conocido como el Cúmulo de Pandora, un equipo de astrónomos indios ha identificado una sorprendente intrusa: una galaxia espiral de gran diseño, con dos brazos perfectamente definidos, que existía cuando el universo tenía solo 1.500 millones de años.
El hallazgo, publicado en la revista Astronomy & Astrophysics por la astrofísica Rashi Jain y el físico Yogesh Wadadekar, del Centro Nacional de Radioastronomía, en el Instituto Tata de Investigación Fundamental, en la India, desafía la idea de que las espirales son estructuras tardías, formadas solo cuando los discos galácticos se estabilizaron miles de millones de años después del big bang.
La galaxia ha sido bautizada como Alaknanda, en honor a un río del Himalaya, y su nombre no es casual. Igual que ese afluente es uno de los orígenes del Ganges, Alaknanda podría ser uno de los primeros ejemplos conocidos de una espiral clásica: un disco bien formado, un bulbo central y dos brazos simétricos cuya elegancia se creía exclusiva de tiempos cosmológicos mucho más recientes.
En las imágenes del James Webb, los brazos destacan con claridad, incluso tras aplicar modelos que restan la luz dominante del disco. La estructura recuerda a las grandes espirales actuales, como Andrómeda y la Vía Láctea, aunque con una escala adaptada a un universo aún en plena adolescencia.
Una espiral gigante en un universo turbulento
El dato que ha dejado atónitos a los astrónomos es su tamaño: unos 10.000 años luz de diámetro, según las mediciones en el filtro F444W del James Webb. Eso significa que, a pesar de su juventud, Alaknanda ya presumía de poseer un disco comparable al de muchas galaxias espirales modernas de tamaño medio. Todo esto en una época en la que se pensaba que las galaxias eran estructuras caóticas, calientes y dominadas por enormes cúmulos de gas en colisión continua.
Los modelos cosmológicos más aceptados sostienen que los discos estables —y aún más, las espirales organizadas— deberían aparecer mucho después, entre 2.000 y 4.000 millones de años tras el big bang. En cambio, el equipo detecta en Alaknanda un sistema sorprendentemente equilibrado: un disco dominante, un bulbo pequeño y un patrón espiral reconocible en todas las longitudes de onda observadas.
En las imágenes en el ultravioleta cercano, los brazos de Alaknanda se descomponen en una serie de cuentas de luz: regiones de formación estelar conocidas como cuentas en un collar, habituales en galaxias espirales del universo cercano.
Imagen de la recién descubierta galaxia espiral Alaknanda (recuadro), observada en las bandas de menor longitud de onda del telescopio James Webb. En el campo también se aprecian varias galaxias brillantes del cúmulo Abell 2744 en primer plano. Cortesía: NASA/ESA/CSA, I. Labbe / R. Bezanson / Alyssa Pagan (STScI), Rashi Jain / Yogesh Wadadekar (NCRA-TIFR)
Cómo se verificó la estructura en espiral
El hallazgo se basa en uno de los conjuntos de datos más profundos obtenidos por el James Webb en Abell 2744, dentro de los proyectos UNCOVER y Medium Bands Mega Science. El uso de veintiún filtros distintos, incluidos una docena de filtros de banda media, ha permitido obtener un retrato detallado y prácticamente continuo del espectro de la galaxia.
Esa riqueza de datos ha sido clave para confirmar que Alaknanda está realmente a un desplazamiento al rojo de z ≈ 4.05, lo que sitúa su luz en un tiempo muy temprano del cosmos. Los distintos métodos de estimación utilizados por Jain y Wadadekar, convergen sin excepción en torno a ese valor.
En este sentido, los autores aplicaron dos técnicas independientes de modelización de poblaciones estelares: BAGPIPES y Prospector. Ambas coinciden en que Alaknanda es masiva, rica en estrellas jóvenes y moderadamente polvorienta.
Pero la confirmación más visual procede de la herramienta GALFIT, un software astronómico que permite analizar la forma de las galaxias ajustando matemáticamente sus componentes de luz. Jain y Wadadekar la usaron para separar matemáticamente la luz del bulbo y el disco galácticos. El mapa residual revela sin ambigüedad los dos brazos espirales, y descarta que se trate de artefactos o de una interacción casual de cúmulos brillantes.
Una galaxia joven, masiva y muy activa
Si su forma ya es sorprendente, su contenido no lo es menos. El estudio determina que Alaknanda posee una masa estelar de 10.000 millones de soles, una cifra respetable incluso para estándares actuales. Más llamativa aún es su tasa de formación estelar: unos 63 soles por año, más de diez veces la de la Vía Láctea hoy en día.
Según los modelos, la mitad de sus estrellas se formaron en los 200 millones de años previos. Es decir, estamos viendo una galaxia en plena construcción, pero con una estructura extraordinariamente madura. El modelo espectral muestra claramente cómo algunos filtros registran un brillo adicional provocado por líneas de emisión como H-alfa o [OIII], típicas de zonas donde se están formando estrellas de manera muy intensa.
🗣️ «Alaknanda tiene la madurez estructural que solemos asociar con galaxias miles de millones de años más antiguas —explica Jain. Y añade—: Encontrar un disco espiral tan bien organizado en esta época nos dice que los procesos físicos que impulsan la formación de galaxias —la acreción de gas, el asentamiento del disco y, posiblemente, el desarrollo de ondas de densidad espirales— pueden operar de forma mucho más eficiente de lo que predicen los modelos actuales. Nos está obligando a replantearnos nuestro marco teórico».
El polvo que contiene —en una cantidad moderada, equivalente a una atenuación de Av ≈ 0,9— indica que en este joven disco ya se habían producido procesos químicos avanzados. Además, aunque la galaxia se formó muy rápido, su estructura está casi completamente dominada por el disco: el bulbo central aporta solo una pequeña fracción de la luz total (aproximadamente un 14% en las observaciones con el filtro F277W).
Cómo se forma una espiral tan pronto
La existencia de una espiral tan definida en una época tan temprana plantea un desafío mayor que su mera detección. Hasta ahora se asumía que las galaxias del universo primitivo eran demasiado inestables para desarrollar brazos espirales duraderos. Las imágenes del Hubble sugerían un cosmos lleno de discos turbulentos, salpicados de aglomeraciones gigantes y carentes de orden a gran escala.
De hecho, hasta ahora los estudios mostraban que las galaxias espirales casi desaparecen más allá del corrimiento al rojo con n valor de z=2, y que solo se conocen ejemplos muy excepcionales alrededor de z≈3. Pero Alaknanda va aún más lejos: aparece a z≈4, en plena era caótica del universo temprano.
Recordemos que el corrimiento al rojo (redshift) es la medida de cuánto se ha estirado la luz de un objeto debido a la expansión del universo. Cuanto más lejos está una galaxia, mayor es ese estiramiento y más roja aparece su luz. Por eso, el corrimiento al rojo funciona como una especie de tiempo cósmico: valores altos indican que estamos viendo objetos tal como eran cuando el universo era mucho más joven.
El trabajo cita dos posibles explicaciones del valor del corrimiento al rojo de Alaknanda:
1️⃣ Discos fríos y estables más temprano de lo pensado. Las simulaciones BlueTides ya sugirieron que los discos rotacionales podrían formarse antes de lo esperado. Observaciones recientes con el James Webb y el ALMA de Chile, incluidas detecciones de discos fríos de hasta z=7, citadas en el artículo— apuntan en esta dirección.
Alaknanda podría ser un ejemplo más de esta población, que las limitaciones observacionales del Hubble habían pasado por alto.
2️⃣ Influencia de un satélite cercano. Jain y Wadadekar apuntan a la presencia de un pequeño esferoide en el extremo sur de la galaxia, probablemente una compañera gravitacional situada a un corrimiento al rojo casi idéntico. Su posición, visible en las imágenes ampliadas, podría haber inducido perturbaciones capaces de generar los brazos espirales. Este escenario, conocido en galaxias locales como el caso de la galaxia Remolino o M51, produce brazos bien definidos, aunque no siempre duraderos.
El estudio descarta, en cambio, que la espiral sea fruto de un barra central, pues no se detecta ninguna barra significativa en los filtros de mayor resolución.
Izquierda: Imagen de Alaknanda en filtros del ultravioleta cercano en el marco de reposo, donde las regiones de formación estelar en los brazos espirales muestran un patrón de cuentas en un collar, característico de la emisión UV de estrellas masivas jóvenes. Derecha: Alaknanda observada en filtros del óptico en el marco de reposo, donde los brazos espirales se atenúan y el disco subyacente aparece con mayor claridad.
Cortesia: NASA/CSA/ESA, Rashi Jain (NCRA-TIFR).
Qué significa Alaknanda para la historia del cosmos
Alaknanda alimenta un debate que apenas está en estado embrionario: ¿eran las espirales más comunes en el universo temprano de lo que creíamos? Los autores señalan que incluso con la sensibilidad del James Webb, las espirales bien definidas siguen siendo raras, pero podrían estar ocultas entre discos que hoy clasificamos como irregulares.
El hallazgo también desafía la idea de que las galaxias espirales necesitan largos periodos sin perturbaciones para formarse. Aquí tenemos una galaxia joven, inmersa en un entorno denso —el cúmulo Abell 2744— y aun así capaz de organizarse con sorprendente rapidez.
🗣️ «Alaknanda revela que el universo temprano era capaz de ensamblar galaxias mucho más rápido de lo que anticipábamos —sostiene Wadadekar. Y añade—: De algún modo, esta galaxia consiguió reunir diez mil millones de masas solares en forma de estrellas y organizarlas en un hermoso disco espiral en apenas unos cientos de millones de años. Eso es extraordinariamente rápido en términos cósmicos, y obliga a los astrónomos a replantearse cómo se forman las galaxias».
Qué sigue: próximas observaciones
Para comprender el origen de los brazos y otras particularidades de Alaknanda, el equipo propone observar la galaxia con el NIRSpec/IFU, el espectrógrafo integral de campo del James Webb, capaz de medir la rotación del disco, el perfil de velocidades y si es un disco frío (ordenado) o caliente (turbulento); y con el ALMA, que permitirá estudiar el gas molecular, las turbulencias y la distribución detallada del gas frío.
Los resultados podrían obligar a reescribir los modelos de formación de discos, al igual que ya está ocurriendo con la sorprendente abundancia de galaxias masivas detectadas por el James Webb con corrimientos al rojo aún mayores.
Mientras tanto, Alaknanda se convierte en un icono de esta nueva era de descubrimientos: una espiral elegante y perfectamente trazada en un universo que, según creíamos, todavía estaba aprendiendo a dibujar.▪️
Información facilitada por el Tata Institute of Fundamental Research (TIFR)
Fuente: Rashi Jain, Yogesh Wadadekar. A grand-design spiral galaxy 1.5 billion years after the Big Bang with JWST. Astronomy and Astrophysics (2025). DOI: https://doi.org/10.1051/0004-6361/202451689
