El telescopio James Webb detectó, en dos galaxias muy lejanas, cúmulos de estrellas de una densidad extrema. Uno se llama Cosmic Gems, el otro Firefly Sparkle. Un estudio publicado en Astronomy & Astrophysics, dirigido por Viola Bocchi en la Universidad Sapienza de Roma, ha modelizado lo que ocurre en su interior. Las colisiones de estrellas en cadena fabricarían allí agujeros negros de masa intermedia, de hasta unas 2 700 veces la masa del Sol. Es una vía para entender cómo los agujeros negros supermasivos pudieron formarse tan pronto. Y es un estudio teórico: James Webb no ha observado esos agujeros negros.

Dos galaxias vistas a través de una lupa cósmica

Las dos galaxias tienen un punto en común. Están detrás de otras galaxias, y la gravedad de esas galaxias intermedias deforma su luz. El efecto se llama lente gravitacional. La masa curva el espacio a su alrededor, y la luz que atraviesa esa curvatura sigue un camino desviado. Un cúmulo de galaxias, esos grupos de cientos de galaxias unidas por la gravedad, ejerce así de lupa. La imagen de la galaxia lejana se estira, a veces se duplica y sobre todo se amplía. Sin esa lupa natural, los cúmulos de Cosmic Gems y de Firefly Sparkle serían demasiado pequeños y débiles para distinguirlos.

Cosmic Gems es un arco de luz descubierto por Hubble durante el sondeo RELICS, dedicado a los cúmulos de galaxias que actúan de lupa sobre el cielo lejano. En 2024, James Webb miró a su vez y distinguió cinco cúmulos de estrellas jóvenes y masivos. La luz de esa galaxia partió cuando el universo tenía unos 460 millones de años, es decir, un corrimiento al rojo de 10,2. Firefly Sparkle está en un corrimiento al rojo de 8,3. Su luz partió unos 600 millones de años después del Big Bang. James Webb detectó allí diez cúmulos.

El corrimiento al rojo, anotado z, mide el estiramiento de la luz por la expansión del universo. Cuanto mayor es z, más lejos está la galaxia y más la vemos como era de joven. Con un corrimiento de 10,2 viajamos a una época en la que el universo tenía solo el 3 % de su edad actual.

Firefly Sparkle vista por James Webb: la galaxia ampliada por una lente aparece como una fina banda de estrellas, con varios cúmulos compactos que resaltan.
Firefly Sparkle, vista por James Webb unos 600 millones de años después del Big Bang. Un cúmulo más cercano la amplía como una lupa y revela sus diez cúmulos de estrellas. Crédito: NASA, ESA, CSA, STScI, C. Willott (Consejo Nacional de Investigaciones del Canadá), L. Mowla (Wellesley College), K. Iyer (Universidad de Columbia).

Estas dos galaxias no son casos aislados. Las observaciones de James Webb encuentran varias, siempre gracias a lentes gravitacionales. Esa abundancia sugiere que los cúmulos de estrellas muy densos no eran raros en el universo joven, aunque los astrónomos solo puedan verlos cuando el azar alinea una lupa.

Un millón de soles en una esfera de 3,26 años luz

Los cúmulos detectados por James Webb no se parecen a los cúmulos de estrellas de nuestro entorno. Su masa va de 100 000 a 10 millones de masas solares. Su radio de semimasa, es decir, el radio de la esfera que contiene la mitad de su masa, va de 0,4 a 15 pársecs. Un pársec equivale a 3,26 años luz.

Los cinco cúmulos de Cosmic Gems muestran una compacidad extrema. Cada uno reúne alrededor de un millón de masas solares, algunos hasta 2,65 millones, en un radio de semimasa de aproximadamente 1 pársec. Dicho de otro modo, la mitad de la masa de un millón de estrellas cabe en una esfera de 3,26 años luz de radio. Eso es menos que la distancia entre el Sol y Próxima Centauri, la estrella más cercana, que está a 4,24 años luz. En los alrededores del Sol, esa misma esfera no contiene ninguna estrella.

Esa densidad también se mide en superficie. Los cúmulos de Cosmic Gems alcanzan unas 100 000 masas solares por pársec cuadrado, un valor que traduce un amontonamiento extremo. En un entorno así, las estrellas no viven tranquilas a distancia unas de otras. Se cruzan sin parar, se atraen, se rozan y a veces chocan.

Los cúmulos de Firefly Sparkle son distintos. Su radio de semimasa va de 4 a 6 pársecs para masas a menudo más bajas, entre 100 000 y algunos millones de masas solares. Están más extendidos y su núcleo es menos denso. Esa diferencia va a cambiarlo todo.

El arco Cosmic Gems visto por James Webb: una fina banda de estrellas azuladas, con los cinco cúmulos señalados por anotaciones.
Los cinco cúmulos de estrellas del arco Cosmic Gems, anotados sobre la imagen de James Webb. Su radio de semimasa ronda 1 pársec, una compacidad extrema para cúmulos tan masivos. Crédito: ESA/Webb, NASA y CSA, L. Bradley (STScI), A. Adamo (Universidad de Estocolmo) y la colaboración Cosmic Spring.

Colisiones en cadena hasta el colapso

Para entender qué pasa en el centro de un cúmulo así, conviene imaginar una multitud. Las estrellas más masivas son también las más pesadas. Frenan menos que las demás en sus encuentros y caen hacia el centro del cúmulo, un fenómeno llamado segregación de masas. El núcleo se vuelve muy denso. Allí las estrellas se empujan, forman parejas inestables y esos sistemas de dos o tres cuerpos sirven de trampolín. Un encuentro cercano lanza una estrella hacia otra y la colisión se vuelve probable.

Una primera fusión da una estrella algo más pesada. Al pesar más, se queda en el centro y atrae más. El proceso se desboca. Es una colisión en cadena, lo que en inglés se llama runaway collision. La estrella crece hasta convertirse en un objeto de varios miles de masas solares, una estrella muy masiva como no existe en el universo actual.

Pero ese crecimiento tiene un freno. Una estrella tan masiva sopla un viento potente que arrastra materia. Cuanto más crece, más fuerte sopla el viento. El tamaño final depende del equilibrio entre lo que aportan las colisiones y lo que se lleva el viento.

Aquí entra en juego la composición química. En astronomía se llama metales a todos los elementos más pesados que el helio. Los fabrican las estrellas, así que las galaxias del universo joven contienen muy pocos. Y los metales dan a los fotones más puntos de agarre para empujar la materia fuera de la estrella. Menos metales, menos puntos de agarre y un viento más débil. El estudio supone una metalicidad de unas 0,005 veces la del Sol para Cosmic Gems, y de 0,02 veces para Firefly Sparkle. La diferencia parece diminuta. Basta para cambiar la masa final.

Cuando el viento llega a compensar las colisiones, la estrella deja de crecer. Termina su vida en unos pocos millones de años y se derrumba. Los autores suponen que ese derrumbe va directamente a agujero negro, sin pérdida notable de masa. La semilla ha nacido.

R136, un cúmulo de estrellas muy denso de la nebulosa de la Tarántula visto por Hubble: miles de estrellas azules apretadas dentro de una nube luminosa.
R136, en la nebulosa de la Tarántula, alberga algunas de las estrellas más masivas conocidas. Un cúmulo denso cercano, para hacerse una idea del amontonamiento de los cúmulos del universo joven. Crédito: NASA, ESA y P. Crowther (Universidad de Sheffield).

De 1 600 a 2 700 soles para las semillas de Cosmic Gems

Para calcular esa evolución, el equipo combinó dos herramientas. Primero un modelo de Fokker-Planck, que describe estadísticamente cómo se redistribuyen las estrellas en el cúmulo con el tiempo, sin simular cada una. Después un marco analítico de colisiones en cadena, establecido hace veinte años y enriquecido hace poco para tener en cuenta los vientos estelares. El conjunto se compara con simulaciones de N cuerpos. En los cúmulos donde ese cálculo es posible, ambos métodos coinciden dentro de un factor de 2 a 5. Es la incertidumbre esperada de un modelo simplificado.

Los resultados llegan. En Cosmic Gems, los cinco cúmulos producirían agujeros negros de 1 600 a 2 700 masas solares aproximadamente. El más pesado alcanza 2 680 masas solares. En Firefly Sparkle, los agujeros negros serían más ligeros, de 180 a 810 masas solares. El estudio aplica el mismo modelo a otros cúmulos observados por James Webb, en el arco del Sunburst y en los campos profundos del programa Frontier Fields, con masas que llegan a unas 3 700 masas solares.

Esas cifras se leen en una escala precisa. Un agujero negro estelar clásico pesa de unas pocas a unas decenas de masas solares. Un agujero negro supermasivo pesa de millones a miles de millones de masas solares y ocupa el centro de una galaxia. Entre ambos, la categoría de los agujeros negros de masa intermedia va de unas 100 a 100 000 masas solares. Las semillas de Cosmic Gems caen en esa familia, más bien del lado pesado. La eficiencia de conversión sigue siendo baja: unos pocos por ciento de la masa del cúmulo acaban en el agujero negro.

Infografía que compara la masa máxima estimada de la semilla de agujero negro: 2 700 soles en los cúmulos de Cosmic Gems frente a 810 en los de Firefly Sparkle.
Masa máxima estimada de la semilla de agujero negro según el entorno. La barra más alta corresponde a los cúmulos de Cosmic Gems, compactos y con un radio de semimasa de 1 pársec, la más baja a los de Firefly Sparkle, más extendidos. Infografía de TRACKER-1, a partir de Bocchi, Liempi y Schleicher, Astronomy & Astrophysics, 2026.

La diferencia entre las dos galaxias se explica por dos factores. Los cúmulos de Cosmic Gems son más compactos, así que su núcleo es más denso, las colisiones más frecuentes y el depósito de materia mayor. Su metalicidad más baja también limita las pérdidas por viento. Al contrario, los cúmulos de Firefly Sparkle están más extendidos, con un núcleo menos masivo, y sus vientos son más eficaces. El modelo predice por tanto semillas más ligeras, en el límite bajo de la categoría intermedia.

Una semilla pesada, un atajo hacia los gigantes

¿Por qué importa esa diferencia? Porque los agujeros negros supermasivos del universo joven plantean un problema de tiempo. James Webb los ha encontrado en épocas en las que el universo tenía solo unos cientos de millones de años. Ahora bien, un agujero negro que engulle gas no puede crecer sin límite. La presión de la luz acaba por repeler la materia que cae, un techo llamado límite de Eddington. A ese ritmo, pasar de una semilla de unas decenas de masas solares a un gigante de mil millones exige más tiempo del que ofrece el universo joven.

Una semilla más pesada acorta el camino. Partir de 2 700 masas solares en lugar de 100 no cambia la duración de una duplicación de masa, pero ahorra varias duplicaciones en la carrera. Los autores calculan que las semillas formadas en un corrimiento al rojo de 10 llegan más fácilmente a 10 o 100 millones de masas solares en un corrimiento de 6. Sugieren además que esos cúmulos podrían dar las semillas de los «Little Red Dots», esos objetos compactos y muy rojos detectados por James Webb, cuya radiación se atribuye a menudo a un agujero negro supermasivo en crecimiento.

El estudio abre por último otra vía. Si existen agujeros negros de masa intermedia y se fusionan, los futuros detectores de ondas gravitacionales, como LISA en el espacio o el Einstein Telescope en tierra, podrían captar su señal. Una predicción comprobable.

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