La edad actual del universo es de alrededor de 13.800 millones de años, y hasta ahora los científicos pensaban que la estructura de las galaxias espirales como la nuestra, la Vía Láctea, no se consolidaba hasta que el cosmos tenía la mitad de su edad actual.

Sin embargo, “en contra de lo esperado, un nuevo descubrimiento revela que ya existían galaxias similares a la Vía Láctea hace 11.700 millones de años, cuando el universo tenía solo un 15 % de la edad actual”, afirma Luca Costantin, investigador del Centro de Astrobiología (CAB, INTA-CSIC) y autor de principal de un estudio que se publica en Nature donde se presenta el hallazgo.

Utilizando el telescopio espacial James Webb (JWST, en inglés), los autores han localizado una galaxia en el universo joven que cuenta con una de las estructuras más características de la Vía Láctea, la conocida como barra galáctica, una banda central de estrellas brillantes.

La galaxia espiral barrada descubierta, denominada ceers-2112, presenta un desplazamiento al rojo de 3, lo que a astrofísica se asocia a cuando el universo tenía solo 2.100 millones de años, lo que desafía el conocimiento previo sobre formación de galaxias.

“Ceers-2112 se considera una galaxia análoga a la Vía Láctea, ya que presenta una estructura espiral barrada y la misma masa que debía tener la nuestra en ese instante del cosmos”, apunta Costantin.

Concepción artística del telescopio espacial James Webb. Imagen: Northrup Grumman/NASA

“Sorprendentemente, este hallazgo prueba que cuando el universo era aún muy joven la evolución de esta galaxia estaba dominada por los bariones (la materia ordinaria de la que estamos compuestos) y no por la materia oscura, aunque es más abundante”, añade el coautor Jairo Méndez Abreu, investigador de la Universidad de La Laguna y el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC).

El significado de las barra galáctica 

Estudiando la estructura de galaxias a diferentes distancias (es decir, a diferentes edades del universo), los científicos tratan de reconstruir la historia de formación y evolución de la Vía Láctea. En el universo cercano, la mayoría de las galaxias espirales masivas muestran una estructura alargada en forma de barra en sus regiones centrales, al igual que nuestra propia galaxia.

Por el contrario, según las predicciones de los modelos teóricos, las condiciones físicas y dinámicas del universo primitivo no favorecen la formación de barras en las galaxias más jóvenes y distantes. Las barras galácticas tienen un papel fundamental en la evolución de las galaxias, ya que favorecen la mezcla de elementos, lo cual es esencial para la formación de estrellas (como el Sol).

“Las galaxias no siempre han sido como las observamos a nuestro alrededor, ya que varían su masa y estructura a lo largo de su vida. Aunque las galaxias barradas similares a la Vía Láctea son comunes en el universo cercano, hasta ahora creíamos que deberían ser extremadamente raras cuando observamos atrás en el tiempo”, señala Pablo G. Pérez González, investigador científico del INTA en el CAB de Madrid y segundo autor del artículo.

Miembros del equipo de investigación responsables del descubrimiento, Dra. Cristina Cabello (IPARCOS-UCM) y Dr. Luca Costantin (CAB/CSIC-INTA).

Desde el punto de vista observacional, hasta ahora el conocimiento sobre la morfología de galaxias lejanas se ha basado principalmente en estudios realizados con el telescopio espacial Hubble, los cuales revelaban estructuras muy irregulares, resultado de posibles fusiones entre galaxias. Sin embargo, las extraordinarias capacidades del Webb están revolucionando la astrofísica, desvelando que el universo lejano no es exactamente como los científicos esperaban.

“Con el JWST tenemos por primera vez la tecnología y la instrumentación necesarias para estudiar en detalle la morfología de galaxias muy lejanas. Investigar cómo las galaxias adquieren la estructura que las caracteriza hoy es esencial para comprender los procesos de formación y evolución”, indica la coautora Cristina Cabello, investigadora postdoctoral del Instituto de Física de Partículas y del Cosmos de la Universidad Complutense de Madrid (IPARCOS-UCM).

Cámara del Webb y complejos cálculos

En concreto, la barra de la galaxia ceers-2112 se ha identificado gracias al análisis de imágenes captadas con el instrumento NIRCam del telescopio Webb. Los autores han utilizado complejos métodos de análisis de estructuras, como el modelado de la luz de la galaxia a diferentes longitudes de onda o estudiando las variaciones espaciales de las componentes simétricas (el llamado análisis de Fourier).

Los datos científicos se tomaron durante las observaciones del proyecto CEERS (Cosmic Evolution Early Release Science) liderado por Steven L. Finkelstein desde la Universidad de Texas (EE UU) dentro del Extended Groth Strip, una región del cielo ubicada entre las constelaciones de la Osa Mayor y el Boyero. En conjunto, en este proyecto han participado 33 investigadores de 29 instituciones en ocho países.

El CAB-CSIC-INTA participa en varios programas científicos desde el inicio de la misión del James Webb en julio de 2022. Esta colaboración internacional entre la NASA, la Agencia Espacial Europea y la Agencia Espacial Canadiense ya está dando sus frutos en el estudio de las atmósferas de exoplanetas, las regiones cercanas a los agujeros negros y en desentrañar cómo eran las primeras galaxias.

Referencia:

Costantin et al. ‘A Milky Way-like barred spiral galaxy at a redshift of 3’. Nature, 2023.

*Imagen de portada: Representación artística de la galaxia espiral barrada ceers-2112. La Tierra se refleja en una burbuja que rodea a ceers-2112, recordando la conexión entre nuestra galaxia y ceers-2112 / Luca Costantin (CAB/CSIC-INTA)