How do astronomers weigh a galaxy they cannot see inside?

By reading its light. A galaxy's spectrum encodes which types of stars it contains and in what proportions. Bright stars dominate the visual appearance but contribute less total mass than the population of faint, low-mass stars. Spectroscopy lets astronomers measure the mass fraction locked in dim stars, which changes the total mass estimate.

What is the initial mass function?

It describes the distribution of stellar masses when a population of stars forms. A top-heavy function produces more massive, luminous stars; a bottom-heavy function produces proportionally more small, faint ones. This study found early massive galaxies have a more bottom-heavy function than the Milky Way, meaning far more small stars than models assumed.

Are early universe galaxies really impossible?

Not literally impossible — but they challenge the standard model's predictions for how quickly large structures can assemble. The standard Lambda-CDM model predicts massive settled galaxies should form more slowly than JWST observations suggest. Each additional mass upward revision sharpens that tension.

Could the hidden stars in early galaxies host planets?

Low-mass stars are the most common planet hosts in the present-day universe. If the earliest galaxies harbored far more of them than assumed, the early universe may have contained more planetary systems than standard models predict. The study makes no habitability claims; the implication is statistical.

JWST revela que las primeras galaxias masivas esconden cuatro veces su masa medida en estrellas pequeñas

El espectrógrafo del James Webb lee las poblaciones estelares individuales como un prisma lee una llama. Si se apunta a una galaxia lejana, se recogen suficientes fotones y el espectro resultante codifica no solo qué tipos de estrellas están presentes, sino en qué proporciones. Esa medición siempre fue teóricamente posible; a las distancias implicadas —luz que partió cuando el universo tenía menos de 1.500 millones de años— ningún telescopio lo había hecho de forma fiable. El telescopio espacial James Webb lo cambió.

El resultado, publicado en Nature Astronomy, es que nueve galaxias masivas del universo primitivo esconden una gran población de estrellas pequeñas, débiles y de baja masa tras la luz cegadora de sus contrapartidas gigantes. Esas estrellas ocultas añaden masa. Para al menos una galaxia, formada menos de 1.500 millones de años después del Big Bang, la masa real podría ser cuatro veces superior a cualquier estimación previa.

Esa cifra importa porque los modelos modernos de formación de galaxias ya tenían dificultades para explicar estos objetos. Ahora tienen que explicarlos con cuatro veces la masa.

Cómo el espectrógrafo lee lo que telescopios anteriores no podían

Las estrellas abarcan un amplio rango de masas, desde gigantes brillantes y de vida corta hasta enanas pequeñas, tenues y longevas. En cualquier galaxia, la proporción entre estrellas grandes y pequeñas —llamada función inicial de masas— determina cuánta masa está encerrada en estrellas débiles, demasiado tenues para detectarlas individualmente a distancias cosmológicas.

Hasta ahora, los astrónomos que trabajaban con galaxias primitivas tenían que asumir que la función inicial de masas se parecía aproximadamente a la observada en la Vía Láctea actual: una mezcla bien calibrada. La suposición no era irrazonable. Simplemente no se podía comprobar.

El instrumento NIRSpec del JWST —su espectrógrafo de infrarrojo cercano— capta la luz combinada de una galaxia entera y la descompone con una precisión que ningún observatorio anterior podía igualar a estas distancias. La técnica consiste en identificar diferencias sutiles en las características de absorción espectral propias de las estrellas de baja masa, características que normalmente se ahogan en el resplandor de sus compañeras más luminosas. El equipo combinó los espectros del JWST con datos adicionales del Very Large Telescope para restringir sus modelos.

«Mediciones como estas simplemente no eran posibles hasta hace poco», dijo Martje Slob, coautora del estudio. «Necesitábamos no solo un telescopio capaz de recoger suficiente luz, sino también espectros de calidad excepcionalmente alta y nuevas técnicas de análisis. Solo entonces pudimos distinguir de forma fiable las características sutiles de las estrellas pequeñas de la luz de estrellas mucho más brillantes».

El estudio examinó nueve galaxias masivas inactivas —aquellas que ya habían completado su fase principal de formación estelar— utilizando este enfoque. En todos los casos, la función inicial de masas era más pronunciada que el estándar de la Vía Láctea. Más estrellas pequeñas. Mucha más masa.

El problema de las galaxias imposibles se vuelve más difícil

La tensión entre lo que predicen los modelos de formación de galaxias y lo que los telescopios han observado en el universo primitivo es uno de los enigmas más comentados de la cosmología moderna. Según el modelo estándar de formación de estructuras cósmicas, los primeros mil millones de años no deberían haber producido galaxias tan grandes y gravitacionalmente asentadas como las que el JWST viene encontrando desde 2022.

Esas galaxias ya eran difíciles de explicar. Este estudio las hace más difíciles.

La autora principal, Chloe Cheng, de la Universidad de Leiden, ofreció una analogía: «Si una galaxia fuera una ciudad, las estrellas más brillantes serían los rascacielos que se ven inmediatamente desde lejos. Nuestros modelos muestran que detrás de las estrellas más brillantes hay una población mucho mayor de estrellas pequeñas, como casas entre los rascacielos. Esto significa que la galaxia en su conjunto es mucho más masiva de lo que sugerían las estimaciones anteriores».

Las estimaciones de masa anteriores para galaxias masivas primitivas se basaban en fotometría —brillo total— calibrada con suposiciones sobre las poblaciones estelares. La espectroscopia es una lectura más directa, aunque requiere mucho más tiempo de telescopio y sensibilidad. Las nuevas estimaciones sugieren que el enfoque fotométrico subestimó sistemáticamente, en algunos casos por un factor de cuatro.

Lo que las estrellas ocultas podrían cambiar más allá de la cosmología

Mariska Kriek, autora principal del estudio y profesora en la Universidad de Leiden, señaló una implicación que va más allá de las masas galácticas: «Las estrellas pequeñas suelen tener planetas orbitando a su alrededor, así que si hubiera muchas más estrellas pequeñas en el universo primitivo de lo que pensábamente, también podría haber habido más planetas».

Las estrellas de baja masa —enanas rojas y estrellas de tipo K— son los anfitriones más comunes de planetas rocosos en el universo actual. Si las galaxias masivas más tempranas contenían una proporción mucho mayor de estas estrellas de lo que se suponía, el universo primitivo podría haber sido un lugar más poblado de planetas de lo que el modelo estándar ha permitido. El alcance de esa implicación dependería de cuán extendido resulte estar este sesgo estelar en la población de galaxias del universo temprano.

Lo que el estudio no resuelve

La muestra son nueve galaxias. Ese número es función del tiempo de observación y de la capacidad actual del telescopio, no un censo completo. El estudio demuestra que el enfoque funciona y que el efecto es real: la función inicial de masas en estos sistemas tempranos es rica en estrellas de baja masa. Si eso se cumple en cientos o miles de galaxias masivas tempranas, y en qué medida, queda por medir.

El estudio tampoco aborda el mecanismo. Por qué las galaxias masivas más tempranas deberían haber formado proporcionalmente más estrellas de baja masa que las galaxias actuales es una cuestión abierta. Puede estar relacionado con diferentes metalicidades del gas, temperaturas o turbulencias en el universo primitivo —cada una de esas posibilidades tendría implicaciones distintas para los modelos de formación de galaxias. La medición espectral acota el qué; el porqué aún requiere más datos y teoría.

Preguntas frecuentes sobre la masa de las galaxias primitivas

¿Cómo pesan los astrónomos una galaxia que no pueden ver por dentro? Leyendo su luz. El espectro de una galaxia codifica qué tipos de estrellas contiene y en qué proporciones. Las estrellas brillantes dominan la apariencia visual pero contribuyen menos a la masa total que la población de estrellas débiles y de baja masa. La espectroscopia permite medir la fracción de masa encerrada en estrellas tenues, lo que cambia la estimación de masa total.

¿Qué es la función inicial de masas? Describe la distribución de masas estelares cuando se forma una población de estrellas. Una función rica en estrellas masivas produce más estrellas masivas y luminosas; una función rica en estrellas de baja masa produce proporcionalmente más estrellas pequeñas y tenues. La función no es fija —puede variar según el tipo de galaxia, la edad y el entorno. Este estudio encontró que las galaxias masivas tempranas tienen una función más rica en estrellas de baja masa que la Vía Láctea.

¿Son realmente galaxias «imposibles»? No literalmente imposibles, pero desafían las predicciones del modelo estándar sobre la rapidez con que pueden ensamblarse estructuras grandes en el universo primitivo. El modelo Lambda-CDM estándar permite la formación de galaxias, pero la velocidad a la que predice que se forman galaxias masivas y asentadas es más lenta de lo que las observaciones han encontrado. Cada revisión al alza de la masa agudiza esa tensión.

¿Podrían las estrellas ocultas albergar planetas? Las estrellas de baja masa son los anfitriones más comunes de planetas. Si las galaxias más tempranas albergaban muchas más de ellas de lo supuesto, el universo primitivo podría haber contenido más sistemas planetarios de lo que predicen los modelos estándar. El estudio no hace afirmaciones sobre habitabilidad; la implicación es estadística y depende de cuán extendida resulte ser la función de masas rica en estrellas de baja masa.

El equipo de Leiden está ampliando su análisis espectral a una muestra mayor de galaxias del universo primitivo utilizando programas de observación del JWST ya programados. Cuando llegue ese catálogo ampliado, las estimaciones de masa revisadas permitirán una prueba más definitiva de si la distribución estelar rica en estrellas de baja masa es típica de las galaxias masivas tempranas o se limita a una clase particular de ellas. Los modelos cosmológicos que luchan por explicar estas galaxias con sus masas estimadas actuales se enfrentarán entonces a un conjunto de datos mucho mayor.

Referencia: Cheng et al., «Hidden mass in early galaxies revealed by bottom-heavy initial mass functions», Nature Astronomy, 2026. DOI: 10.1038/s41550-026-02932-4

Etiquetas: James Webb Space Telescope, JWST, astronomy, early universe, galaxy formation, initial mass function