Pruebas de que las primeras galaxias pueden ser más grandes y complejas de lo que se pensaba

Científicos que utilizan el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) -un observatorio internacional cooperado por el Observatorio Radioastronómico Nacional (NRAO) de la Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos- han observado una cantidad significativa de gas frío y neutro en las regiones exteriores de la joven galaxia A1689-zD1, así como flujos de gas caliente procedentes del centro de la galaxia. Estos resultados pueden arrojar luz sobre una etapa crítica de la evolución galáctica para las galaxias primitivas, en la que las galaxias jóvenes comienzan la transformación para parecerse cada vez más a sus primos posteriores, más estructurados. Las observaciones se han presentado hoy en una conferencia de prensa en la 240ª reunión de la Sociedad Astronómica Americana (AAS) en Pasadena, California, y se publicarán en un próximo número de The Astrophysical Journal (ApJ).

A1689-zD1 -una galaxia joven, activa y con formación estelar, ligeramente menos luminosa y menos masiva que la Vía Láctea- se encuentra a unos 13.000 millones de años luz de la Tierra, en el cúmulo de la constelación de Virgo. Se descubrió escondida detrás del cúmulo de galaxias Abell 1689 en 2007 y se confirmó en 2015 gracias a las lentes gravitacionales, que amplificaron el brillo de la joven galaxia en más de 9 veces. Desde entonces, los científicos han seguido estudiando la galaxia como un posible análogo de la evolución de otras galaxias «normales». Esa etiqueta – «normal»- es una distinción importante que ha ayudado a los investigadores a dividir los comportamientos y las características de A1689-zD1 en dos categorías: típicas y poco comunes, siendo las características poco comunes las que imitan a las galaxias más tardías y más masivas.

«A1689-zD1 se encuentra en el universo muy temprano, sólo 700 millones de años después del Big Bang. Esta es la época en la que las galaxias estaban empezando a formarse», dijo Hollis Akins, estudiante de astronomía en el Grinnell College y autor principal de la investigación. «Lo que vemos en estas nuevas observaciones son pruebas de procesos que pueden contribuir a la evolución de lo que llamamos galaxias normales en contraposición a las galaxias masivas. Y lo que es más importante, estos procesos son los que antes no creíamos que se aplicaban a estas galaxias normales.»

Uno de estos procesos poco comunes es la producción y distribución de combustible para la formación de estrellas en la galaxia, y potencialmente mucho. El equipo utilizó el receptor de banda 6 de ALMA, altamente sensible, para localizar un halo de gas carbónico que se extiende mucho más allá del centro de la joven galaxia. Esto podría ser una prueba de la formación estelar en curso en la misma región o el resultado de perturbaciones estructurales, como fusiones o flujos de salida, en las primeras etapas de la formación de la galaxia.

Según Akins, esto es inusual para las galaxias tempranas. «El gas carbónico que observamos en esta galaxia se encuentra típicamente en las mismas regiones que el gas hidrógeno neutro, que es también donde tienden a formarse nuevas estrellas. Si este es el caso de A1689-zD1, es probable que la galaxia sea mucho más grande de lo que se pensaba. También es posible que este halo sea un remanente de una actividad galáctica anterior, como fusiones que ejercieron complejas fuerzas gravitatorias sobre la galaxia que llevaron a la expulsión de mucho gas neutro a estas grandes distancias. En cualquier caso, la evolución temprana de esta galaxia fue probablemente activa y dinámica, y estamos aprendiendo que esto puede ser un tema común, aunque no observado previamente, en la formación temprana de galaxias».

Más que poco común, el descubrimiento podría tener implicaciones significativas para el estudio de la evolución galáctica, particularmente porque las observaciones de radio descubren detalles no vistos en longitudes de onda ópticas. Seiji Fujimoto, investigador postdoctoral del Cosmic Dawn Center del Instituto Niels Bohr, y coautor de la investigación, dijo: «La emisión del gas carbónico en A1689-zD1 es mucho más extensa que la observada con el telescopio espacial Hubble, y esto podría significar que las galaxias tempranas no son tan pequeñas como parecen. Si, de hecho, las galaxias primitivas son más grandes de lo que creíamos, esto tendría un gran impacto en la teoría de la formación y evolución de las galaxias en el universo primitivo.»

Dirigido por Akins, el equipo también ha observado flujos de gas caliente e ionizado -provocados habitualmente por la actividad galáctica violenta, como las supernovas- que se desplazan hacia el exterior desde el centro de la galaxia. Es posible, dada su naturaleza potencialmente explosiva, que los flujos de salida tengan algo que ver con el halo de carbono. «Los flujos de salida se producen como resultado de una actividad violenta, como la explosión de supernovas -que expulsan el material gaseoso cercano fuera de la galaxia- o de agujeros negros en los centros de las galaxias -que tienen fuertes efectos magnéticos que pueden expulsar material en potentes chorros-. Por ello, existe una gran posibilidad de que los chorros calientes tengan algo que ver con la presencia del halo frío de carbono», afirma Akins. «Y eso subraya aún más la importancia de la naturaleza multifásica, o entre caliente y fría, del gas que sale».

Darach Watson, profesor asociado del Cosmic Dawn Center del Instituto Niels Bohr, y coautor de la nueva investigación, confirmó en 2015 que A1689-zD1 es una galaxia de alto desplazamiento al rojo, lo que la convierte en la galaxia polvorienta más lejana conocida. «Hemos visto este tipo de emisión de halo de gas extendido en galaxias que se formaron más tarde en el universo, pero verlo en una galaxia tan temprana significa que este tipo de comportamiento es universal incluso en las galaxias más modestas que formaron la mayoría de las estrellas en el universo temprano. Entender cómo se produjeron estos procesos en una galaxia tan joven es fundamental para comprender cómo se produce la formación de estrellas en el universo primitivo.»

Kirsten Knudsen, profesora de astrofísica en el Departamento de Espacio, Tierra y Medio Ambiente de la Universidad Tecnológica de Chalmers, y coautora de la investigación, encontró pruebas del continuo de polvo de A1689-zD1 en 2017. Knudsen señaló el papel serendípico de las lentes gravitacionales extremas para hacer posible cada nuevo descubrimiento en la investigación. «Debido a que A1689-zD1 está ampliado más de nueve veces, podemos ver detalles críticos que de otra manera son difíciles de observar en las observaciones ordinarias de galaxias tan distantes. En última instancia, lo que estamos viendo aquí es que las galaxias del universo temprano son muy complejas, y esta galaxia seguirá presentando nuevos retos y resultados de investigación durante algún tiempo.»

El Dr. Joe Pesce, responsable del programa de la NSF para ALMA, añadió: «Esta fascinante investigación de ALMA se suma a un creciente conjunto de resultados que indican que las cosas no son exactamente como esperábamos en el universo primitivo, pero son realmente interesantes y emocionantes de todos modos.»

Las observaciones espectroscópicas e infrarrojas de A1689-zD1 están previstas para enero de 2023, utilizando la Unidad de Campo Integral (IFU) de NIRSpec y NIRCam en el telescopio espacial James Webb. Las nuevas observaciones complementarán los datos anteriores del HST y de ALMA, ofreciendo una visión más profunda y completa de la joven galaxia en múltiples longitudes de onda.

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