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Los agujeros negros sorprendentemente masivos en el Universo temprano desafían las teorías cósmicas

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Los agujeros negros sorprendentemente masivos en el Universo temprano desafían las teorías cósmicas

Impresión artística de la brillante región central de un cuásar, una galaxia activa. El agujero negro supermasivo del centro está rodeado por un disco brillante de gas y polvo. El polvo más distante puede oscurecer la vista del interior y brilla principalmente en el rango del infrarrojo medio, una luz que puede ser analizada por el Telescopio Espacial James Webb. Un haz de partículas de alta energía sale al espacio desde las inmediaciones del agujero negro perpendicular al disco. Crédito: © T. Müller / MPIA

Sorprendentemente poco espectacular: el agujero negro ya pesaba más de mil millones de masas solares en el universo primitivo, a pesar de un apetito mediocre.

Al observar las primeras etapas del universo de 13.800 millones de años, Telescopio espacial James Webb Descubrió una galaxia tal como existía sólo 700 millones de años después de la Big BangEs sorprendente ver cómo el agujero negro En su centro, el núcleo ya podía pesar mil millones de masas solares cuando el universo aún estaba en su infancia. Las observaciones de James Webb tenían como objetivo examinar más de cerca el mecanismo de alimentación, pero no revelaron nada extraordinario. Al parecer, los agujeros negros ya estaban creciendo de la misma forma que hoy. Pero el resultado es aún más significativo: podría demostrar que los astrónomos saben menos de lo que pensaban sobre la formación de galaxias. Y, sin embargo, las medidas no son en absoluto decepcionantes. Al contrario.

El misterio de los primeros agujeros negros

Los primeros mil millones de años de la historia cósmica plantean un desafío: los primeros agujeros negros conocidos en los centros de las galaxias tienen masas sorprendentemente grandes. ¿Cómo se volvieron tan masivos y tan rápido? Las nuevas observaciones aquí descritas proporcionan pruebas sólidas en contra de algunas explicaciones propuestas, incluido un «modo de energía ultraeficiente» para los primeros agujeros negros.

Límites al crecimiento de agujeros negros supermasivos

Las estrellas y las galaxias han cambiado enormemente durante los últimos 13.800 millones de años, la vida del Universo. Las galaxias crecieron y ganaron más masa, ya sea consumiendo el gas circundante o (ocasionalmente) fusionándose entre sí. Durante mucho tiempo, los astrónomos supusieron que los agujeros negros supermasivos en los centros de las galaxias habrían crecido gradualmente, junto con las propias galaxias.

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Pero el crecimiento de un agujero negro no puede ser arbitrariamente rápido. La materia que cae sobre un agujero negro forma un “disco de acreción” brillante, caliente y giratorio. Cuando esto sucede alrededor de un agujero negro supermasivo, el resultado es un núcleo galáctico activo. Los objetos más brillantes de este tipo, llamados quásares, se encuentran entre los objetos astronómicos más brillantes de todo el cosmos. Pero este brillo limita la cantidad de materia que puede caer sobre el agujero negro: la luz ejerce una presión que puede evitar que caiga materia adicional en su interior.

¿Cómo es que los agujeros negros se volvieron tan masivos y tan rápidos?

Por esta razón, los astrónomos se han sorprendido al ver, durante los últimos veinte años, observaciones de quásares distantes que han revelado agujeros negros muy jóvenes, cuya masa alcanza, sin embargo, los 10 mil millones de masas solares. La luz necesita tiempo para viajar desde un objeto distante hasta nosotros. Por tanto, observar objetos distantes equivale a sumergirse en el pasado lejano. Vemos los quásares más distantes conocidos tal como eran durante una era llamada “amanecer cósmico”, menos de mil millones de años después del Big Bang, cuando se formaron las primeras estrellas y galaxias.

Explicar la formación de estos primeros agujeros negros masivos representa un desafío considerable para los modelos actuales de evolución de las galaxias. ¿Podría ser que los primeros agujeros negros fueran mucho más eficientes a la hora de acumular gas que sus homólogos modernos? ¿O podría la presencia de polvo afectar las estimaciones de la masa de los cuásares de una manera que llevó a los investigadores a sobreestimar la masa de los primeros agujeros negros? Actualmente se han propuesto muchas explicaciones, pero ninguna ha sido ampliamente aceptada.

Una mirada más cercana al crecimiento inicial de los agujeros negros

Para determinar cuál de las explicaciones es correcta, necesitamos una imagen de los quásares más completa de la que existe hasta ahora. Con la llegada del telescopio espacial JWST, y específicamente su instrumento MIRI de infrarrojo medio, la capacidad de los astrónomos para estudiar quásares distantes dio un salto gigante. Para medir los espectros de quásares distantes, MIRI es 4.000 veces más sensible que cualquier instrumento anterior.

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Instrumentos como MIRI son construidos por consorcios internacionales, en los que científicos, ingenieros y técnicos trabajan en estrecha colaboración. Naturalmente, un consorcio está muy interesado en comprobar si su instrumento funciona tan bien como se espera. A cambio de construir el instrumento, los consorcios generalmente reciben algo de tiempo de observación. En 2019, años antes del lanzamiento del JWST, el consorcio europeo MIRI decidió utilizar parte de ese tiempo para observar el que entonces era el quásar más distante conocido, un objeto que lleva la designación J1120+0641.

Observación de uno de los primeros agujeros negros.

El análisis de las observaciones fue confiado a Sarah Bosman, investigadora postdoctoral en el Instituto Max Planck de Astronomía (MPIA) y miembro del consorcio europeo MIRI. Las contribuciones del MPIA al instrumento MIRI incluyen la construcción de una serie de partes internas clave. Sarah Bosman fue invitada a unirse a la colaboración MIRI específicamente para aportar su experiencia sobre la mejor manera de utilizar el instrumento para estudiar el Universo temprano, en particular los primeros agujeros negros supermasivos.

Las observaciones se llevaron a cabo en enero de 2023, durante el primer ciclo de observaciones del JWST, y duraron aproximadamente dos horas y media. Constituyen el primer estudio en el infrarrojo medio de un quásar en el amanecer cósmico, es decir, sólo 770 millones de años después del Big Bang (desplazamiento al rojo z = 7). La información no proviene de una imagen, sino de un espectro: la descomposición de la luz del objeto en el arco iris en componentes de diferentes longitudes de onda.

Seguimiento de polvo y gases que se mueven rápidamente

La forma general del espectro del infrarrojo medio («continuo») codifica las propiedades de un gran toro de polvo que rodea el disco de acreción de los quásares típicos. Este toro ayuda a guiar la materia hacia el disco de acreción, “alimentando” el agujero negro. La mala noticia para quienes prefieren modos alternativos de crecimiento rápido a los primitivos agujeros negros masivos: el toro, y por extensión el mecanismo de energía de este quásar primitivo, parece ser el mismo que el de sus homólogos más modernos. La única diferencia es una que ningún modelo de rápido crecimiento de los primeros quásares había predicho: una temperatura del polvo ligeramente superior, de unos cien grados Kelvin, a los 1.300 K encontrados para el polvo de quásar más caliente y menos distante.

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La partie du spectre à longueur d'onde plus courte, dominée par les émissions du disque d'accrétion lui-même, montre que pour nous, observateurs distants, la lumière du quasar n'est pas atténuée par une quantité de poussière plus importante que en general. Los argumentos de que simplemente podemos estar sobreestimando la masa de los agujeros negros primitivos debido al polvo extra tampoco son la respuesta.

Los primeros quásares “sorprendentemente normales”

La región de línea ancha del cuásar, donde grupos de gas orbitan alrededor del agujero negro a velocidades cercanas a la velocidad de la luz, lo que nos permite inferir la masa del agujero negro, la densidad y la ionización de la materia que lo rodea, también parece normal. Según casi todas las propiedades deducidas del espectro, J1120+0641 no se diferencia de los quásares de épocas posteriores.

“En general, las nuevas observaciones no hacen más que aumentar el misterio: los primeros quásares eran sorprendentemente normales. Independientemente de la longitud de onda en la que los observemos, los quásares son casi idénticos en todo momento en el Universo”, explica Bosman. No sólo los propios agujeros negros supermasivos, sino también sus mecanismos de energía aparentemente ya estaban completamente «maduros» cuando el Universo tenía sólo el 5% de su edad actual. Descartando una serie de soluciones alternativas, los resultados apoyan firmemente la idea de que los agujeros negros supermasivos comenzaron con masas considerables desde el principio, en la jerga de la astronomía: que son «primordiales» o «sembrados en masa». Los agujeros negros supermasivos no se formaron a partir de restos de estrellas primitivas, sino que se volvieron masivos muy rápidamente. Debieron haberse formado muy temprano con masas iniciales de al menos cien mil masas solares, probablemente por el colapso de primitivas nubes de gas masivas.

Referencia: “Un cuásar maduro en el amanecer cósmico revelado por espectroscopia infrarroja en el marco de reposo JWST” por Sarah EI Bosman, Javier Álvarez-Márquez, Luis Colina, Fabian Walter, Almudena Alonso-Herrero, Martin J. Ward, Göran Östlin, Thomas R Greve, Gillian Wright, Arjan Bik, Leindert Boogaard, Karina Caputi, Luca Costantin, Andreas Eckart, Macarena García-Marín, Steven Gillman, Jens Hjorth, Edoardo Iani, Olivier Ilbert, Iris Jermann, Alvaro Labiano, Danial Langeroodi, Florian Peißker, Pierluigi Rinaldi, Martin Topinka, Paul van der Werf, Manuel Güdel, Thomas Henning, Pierre-Olivier Lagage, Tom P. Ray, Ewine F. van Dishoeck y Bart Vandenbussche, 17 de junio de 2024. astronomía natural.
DOI: 10.1038/s41550-024-02273-0

Experiencia en periódicos nacionales y periódicos medianos, prensa local, periódicos estudiantiles, revistas especializadas, sitios web y blogs.

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Nuevos descubrimientos revelan vínculos antiguos entre humanos y neandertales

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Nuevos descubrimientos revelan vínculos antiguos entre humanos y neandertales

Los humanos modernos se han cruzado con los neandertales durante más de 200.000 años, informa un equipo internacional dirigido por Josh Akey de la Universidad de Princeton y Liming Li de la Universidad Southeastern. Akey y Liming Li identificaron una primera ola de contacto hace unos 200 a 250 000 años, otra hace 100 a 120 000 años y la más grande hace unos 50 a 60 000 años. Utilizaron una herramienta genética llamada IBDmix que utiliza IA, en lugar de una población de referencia de humanos vivos, para analizar 2.000 humanos vivos, tres neandertales y un denisovano. Crédito: Matilda Luk, Universidad de Princeton

El genetista Joshua Akey afirma que los humanos modernos y los neandertales interactuaron durante un período de 200.000 años.

Una nueva investigación genética revela extensos cruces e interacciones de larga data entre neandertales, denisovanos y humanos modernos, lo que sugiere una historia más integrada de lo que se pensaba anteriormente y respalda las teorías de la asimilación de los neandertales en las poblaciones humanas modernas.

Desde el descubrimiento de los primeros huesos de neandertal en 1856, la curiosidad por estos antiguos homínidos ha seguido creciendo. ¿En qué se diferencian de nosotros? ¿Qué tan similares son a nosotros? ¿Se llevaban bien nuestros antepasados ​​con ellos? ¿Lucharon contra ellos? ¿Les gustaron? El reciente descubrimiento de un grupo llamado denisovanos, un grupo similar al neandertal que habitó Asia y el sur de Asia, ha añadido una serie de preguntas.

Hoy, un equipo internacional de genetistas y expertos en inteligencia artificial está trabajando para agregar nuevos capítulos a la historia compartida de los homínidos. Dirigidos por Joshua Akey, profesor del Instituto Lewis-Sigler de Genómica Integrativa de Princeton, los investigadores descubrieron una historia de mezcla e intercambio genético que sugiere una conexión mucho más estrecha entre estos primeros grupos humanos de lo que se pensaba anteriormente.

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«Esta es la primera vez que los genetistas han identificado múltiples oleadas de mezcla entre humanos modernos y neandertales», dijo Liming Li, profesor del Departamento de Genética Médica y Biología del Desarrollo de la Universidad del Sureste en Nanjing, China, quien realizó este trabajo como investigador. investigador asociado en el laboratorio de Akey.

«Ahora sabemos que durante la mayor parte de la historia de la humanidad tuvimos contacto entre los humanos modernos y los neandertales», dijo Akey. Los homínidos, nuestros ancestros más directos, se separaron del árbol genealógico de los neandertales hace unos 600.000 años y luego desarrollaron nuestras características físicas modernas hace unos 250.000 años.

Interacción continua durante milenios

“Desde entonces hasta la desaparición de los neandertales -es decir, durante unos 200.000 años- los humanos modernos interactuaron con las poblaciones de neandertales”, afirmó.

Los resultados de su trabajo aparecen en el número actual de la revista. Ciencia.

Los neandertales, antes estereotipados como lentos y estúpidos, ahora son vistos como hábiles cazadores y fabricantes de herramientas, que curaban las heridas de otros con técnicas sofisticadas y estaban bien adaptados para prosperar en el frío europeo.

(Nota: Todos estos grupos de homínidos son humanos, pero para evitar decir «humanos neandertales», «humanos Denisova» y «versiones tempranas de nuestra propia especie de humanos», la mayoría de los arqueólogos y antropólogos utilizan las abreviaturas neandertales, denisovanos y humanos modernos. )

Utilizando los genomas de 2.000 humanos vivos, así como de tres neandertales y un denisovano, Akey y su equipo mapearon el flujo de genes entre grupos de homínidos durante el último cuarto de millón de años. Los investigadores utilizaron una herramienta genética que diseñaron. algunos años Hace unos años se desarrolló un nuevo método llamado IBDmix, que utiliza técnicas de aprendizaje automático para decodificar el genoma. Investigadores anteriores se basaron en comparar genomas humanos con una «población de referencia» de humanos modernos que se pensaba que tenían pocos o ningún neandertal o denisovano. ADN.

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El equipo de Akey estableció que incluso los grupos a los que se hace referencia, que vivían a miles de kilómetros al sur de las cuevas de Neandertal, tienen rastros de ADN neandertal, probablemente transportados hacia el sur por los viajeros (o sus descendientes). Con IBDmix, el equipo de Akey identificó una primera ola de contacto hace unos 200 a 250.000 años, otra hace unos 100 a 120.000 años y la más grande hace unos 50 a 60.000 años.

Revisión de modelos de migración humana.

Esto contrasta marcadamente con los datos genéticos anteriores. “Hasta la fecha, la mayoría de los datos genéticos sugieren que los humanos modernos evolucionaron en África hace 250.000 años, permanecieron allí durante los siguientes 200.000 años y entonces «Decidieron dispersarse fuera de África hace 50.000 años y poblar el resto del mundo», dijo Akey.

«Nuestros modelos muestran que no hubo un largo período de estancamiento, sino que poco después de la aparición de los humanos modernos, emigramos de África y regresamos a África también», afirmó. “Para mí, esta historia es una historia de dispersión, del hecho de que los humanos modernos se movieron y se encontraron con neandertales y denisovanos mucho más a menudo de lo que pensábamos anteriormente. »

Esta visión de la humanidad en movimiento coincide con investigaciones arqueológicas y paleoantropológicas que sugieren intercambios culturales y de herramientas entre grupos de homínidos.

La idea clave de Li y Akey era buscar ADN humano moderno en los genomas de los neandertales, y no al revés. «La gran mayoría del trabajo genético durante la última década se ha centrado en cómo el apareamiento con los neandertales afectó los fenotipos humanos modernos y nuestra historia evolutiva, pero estas preguntas también son relevantes e interesantes en otros aspectos», dijo Akey.

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Se dieron cuenta de que los descendientes de estas primeras oleadas de apareamiento entre neandertales y humanos modernos debieron permanecer con los neandertales, por lo que no dejaron rastro en los humanos actuales. «Debido a que ahora podemos incorporar el componente neandertal en nuestros estudios genéticos, estamos observando estas primeras dispersiones de una manera que antes no podíamos», dijo Akey. La última pieza del rompecabezas fue descubrir que la población de neandertales era incluso menor de lo que se pensaba anteriormente.

El modelado genético tradicionalmente utiliza la variación (diversidad) como indicador del tamaño de la población. Cuanto más diversos sean los genes, mayor será la población. Pero utilizando IBDmix, el equipo de Akey demostró que una parte importante de esta aparente diversidad procedía de secuencias de ADN tomadas de humanos modernos, cuyas poblaciones son mucho mayores.

Como resultado, la población efectiva de neandertales se redujo de unos 3.400 individuos reproductores a unos 2.400.

En conjunto, estos nuevos hallazgos pintan una imagen de cómo los neandertales desaparecieron del registro, hace unos 30.000 años.

«No me gusta hablar de extinción, porque creo que los neandertales fueron absorbidos en gran medida», dijo Akey. Su idea es que las poblaciones de neandertales disminuyeron lentamente hasta que los últimos supervivientes se integraron en las comunidades humanas modernas.

Este «modelo de asimilación» fue formulado por primera vez por Fred Smith, profesor de antropología en la Universidad Estatal de Illinois, en 1989. «Nuestros resultados proporcionan datos genéticos sólidos consistentes con la hipótesis de Fred, y creo que es realmente interesante», dijo Akey.

«Los neandertales estuvieron al borde de la extinción, probablemente durante mucho tiempo», afirmó. “Si se reduce su número en un 10 o 20 por ciento, que es lo que hacen nuestras estimaciones, eso representa una reducción sustancial de una población que ya está amenazada. »

“Los humanos modernos eran como olas rompiendo en una playa, erosionando lenta pero seguramente la playa. Al final, simplemente abrumamos demográficamente a los neandertales y los incorporamos a las poblaciones humanas modernas. »

Referencia: “Flujo genético recurrente entre neandertales y humanos modernos durante los últimos 200.000 años” por Liming Li, Troy J. Comi, Rob F. Bierman y Joshua M. Akey, 12 de julio de 2024, Ciencia.
DOI: 10.1126/ciencia.adi1768

Esta investigación fue financiada por el Institutos Nacionales de Salud (conceder R01GM110068 a JMA).

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La primera 'barba de jubilación' de la Fuerza Espacial está fuera de este mundo

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La primera 'barba de jubilación' de la Fuerza Espacial está fuera de este mundo

La primera «barba de retiro» de la Fuerza Espacial está aquí y es increíble.

Roger A. Towbermanquien hasta septiembre pasado fue el primer suboficial de la Fuerza Espacial, vivió el sueño de jubilarse esta semana cuando sus antiguos compañeros lo invitaron a volver a trabajar para una ceremonia y apareció luciendo una barba absolutamente hermosa, ese ya no es mi problema.

La ceremonia fue Inauguración de su propio retrato oficial, bien afeitado, en el Pentágono.un honor otorgado a los jefes de servicio y asesores senior alistados al jubilarse. Con un corte de pelo y una barba decididamente inusuales, Towberman y su retrato fueron un estudio clásico del estatus antes y después de la jubilación.

En su retrato oficial, Towberman aparece con su uniforme de la Fuerza Espacial, rodeado de objetos destinados a reflejar su tiempo de servicio. Estas incluyen fotografías de su familia y su gato, una réplica en miniatura de la Piedra Rosetta. considerada una reliquia esencial de la criptología – y el libro bola de dineroquien relató la llegada del análisis de datos complejos al mundo de la inteligencia de la búsqueda de talentos de las grandes ligas de béisbol.

El Sargento Mayor de la Fuerza Espacial John Bentivegna y Roger A. Towberman, el primer CMSSF, posan para una foto después de una ceremonia de inauguración de retratos en el Pentágono, Arlington, Virginia, 9 de julio de 2024. Foto aérea del ejército por Chad Trujillo Chad Trujillo

Secretario de la Fuerza Aérea Frank Kendall reveló el retrato con hombre de remolque 9 de julio. Towberman prestó juramento como segundo Guardián de la Fuerza Espacial de EE. UU. el 3 de abril de 2020. Como CMSSF, Towberman contribuyó al desarrollo del servicio. valores fundamentalesimplementó las políticas de reclutamiento y personal del departamento y asesoró a los líderes superiores del departamento sobre bienestar, preparación y moral. Pasó 30 años en la Fuerza Aérea, incluso como jefe de comando del Comando Espacial de EE. UU., antes de hacer la transición a la Fuerza Espacial.

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«Es un honor increíble y estoy muy feliz de haber sido parte de él», dijo Towberman. “Todo lo que hicimos, lo hicimos para intentar crear las condiciones para el éxito. »

Incluso como líder de alto rango, Towberman tenía un sentido del humor bien documentado. En 2022, acompañado de una entrevista poco convencional e incluso inusual con Stephen Colbert Cuando el comediante nocturno llevó su programa a Thule, Groenlandia, para perfilar la estación de la Fuerza Espacial, posiblemente la misión de tiempo completo más remota del ejército estadounidense. Towberman se sentó para una entrevista completa y llena de chistes con el comediante, absorbiendo chistes sobre «hacer «eso» en el espacio» Y un Línea del Círculo Polar Ártico para alumnos de 5º grado para edades (vídeo de las 9:00) a lo que Towberman reacciona con una gran carcajada y lo califica de «fantástico».

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Gran parte de la diversidad genética de los neandertales provino de los humanos modernos.

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Gran parte de la diversidad genética de los neandertales provino de los humanos modernos.

Las líneas generales de las interacciones entre los humanos modernos y los neandertales están ahora bien establecidas. Los dos entraron en contacto cuando los humanos modernos comenzaron su gran expansión fuera de África, hace unos 60.000 años. Los humanos adquirieron el ADN de los neandertales a través del mestizaje, mientras que la población de neandertales, todavía bastante pequeña, fue arrasada por oleadas de recién llegados.

Pero algunos aspectos de este panorama general no encajan del todo con los datos. Si bien explica bien el hecho de que las secuencias neandertales son mucho más comunes en poblaciones no africanas, no tiene en cuenta el hecho de que cada población africana que estudiamos tiene una parte de su ADN que coincide con el de los neandertales.

Un estudio publicado el jueves sostiene que esta coincidencia se debe en gran medida al hecho de que una población humana moderna también abandonó África y se cruzó con los neandertales. Pero en este caso, el resultado fue introducir ADN humano moderno en la población de neandertales. El estudio muestra que este ADN es responsable de gran parte de la diversidad genética de los neandertales, lo que sugiere que su población era incluso más pequeña de lo que sugerían estimaciones anteriores.

Salir de África antes de lo previsto

Este estudio no es el primero en sugerir que los humanos modernos y sus genes encontraron a los neandertales mucho antes de nuestra gran expansión fuera de África. La clave para entender esto es el genoma de un neandertal de la región de Altai en Siberia, que data de hace unos 120.000 años. Esto es mucho antes de que los humanos modernos se expandieran fuera de África, pero su genoma tiene algunas regiones que tienen excelentes coincidencias con el genoma humano pero que están ausentes en el linaje denisovano.

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Una posible explicación es que estos segmentos de ADN de neandertal fueron posteriormente recogidos por la población que se extendió fuera de África. El problema de esta hipótesis es que la mayoría de estas secuencias también aparecen en poblaciones africanas. Por ello, los investigadores han propuesto la idea de que una población ancestral de humanos modernos abandonó África hace unos 200.000 años y que parte de su ADN fue preservado por los neandertales siberianos. Esto es consistente con algunos hallazgos de fósiles que ubican a humanos anatómicamente modernos en el Medio Oriente aproximadamente al mismo tiempo.

Sin embargo, hay otra explicación: parte de la población que abandonó África hace 60.000 años y que recuperó ADN neandertal regresó a África, llevándose consigo ese ADN neandertal. Esto permitió que una pequeña porción del ADN neandertal persistiera dentro de las poblaciones africanas.

Para abordar este problema, un equipo de investigación con sede en la Universidad de Princeton se centró en el ADN neandertal encontrado en africanos, aprovechando que ahora contamos con una gama mucho más amplia de genomas humanos completos (aproximadamente 2.000).

El estudio se basó en una hipótesis simple. Todo nuestro trabajo sobre el ADN de los neandertales indica que su población era relativamente pequeña y, por tanto, menos diversa genéticamente que la de los humanos modernos. De ser así, la adición de ADN humano moderno a la población de neandertales debería haber aumentado su diversidad genética. Si este es el caso, entonces los fragmentos de ADN «neandertales» encontrados en las poblaciones africanas deberían incluir algunas de las regiones más diversas del genoma neandertal.

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