Desde los años ochenta se conoce un tipo de galaxias caracterizadas por una fuerte emisión en el infrarrojo – por encima de cien mil millones de veces la luminosidad del Sol – y muy poco brillantes en el rango visible y ultravioleta. A estas Galaxias Infrarrojas Luminosas (LIRGs, por sus siglas en inglés) se añadieron posteriormente las Galaxias Ultraluminosas Infrarrojas (ULIRGs), con una emisión en el rango infrarrojo de billones de veces la luminosidad del Sol.

El exceso de radiación infrarroja propio de este tipo de galaxias se debe a la presencia de ingentes cantidades de polvo calentado por intensos brotes de formación estelar, así como a la posible presencia de un agujero negro supermasivo activo en su núcleo. La capacidad de absorción de luz de dicho polvo hace que estas galaxias sean complejas de estudiar en los rangos visible y ultravioleta, y haya que recurrir a la observación con telescopios infrarrojos.

Un equipo del Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC) ha liderado un estudio publicado hoy en Nature Astronomy con resultados muy novedosos, que evidencian el papel crucial de la fusión galáctica en la evolución química de este tipo de galaxias. “Las galaxias infrarrojas luminosas y ultraluminosas son fundamentales para comprender el complejo panorama de la evolución galáctica. Nos permiten estudiar en el universo cercano tasas extremas de formación estelar, similares a las encontradas en las primeras etapas del universo”, explica Borja Pérez Díaz, investigador del IAA-CSIC y primer autor del trabajo.

El equipo de investigación del proyecto ‘Estallidos de formación estelar en galaxias’ del IAA-CSIC ha aplicado por primera vez sobre una muestra de galaxias LIGRs y ULIGrs  un  sólido método de análisis que permite medir las abundancias de elementos químicos directamente utilizando las líneas de emisión del gas ionizado en el rango infrarrojo. «Estas líneas escapan de la absorción producida por las enormes cantidades de polvo de estas galaxias y nos permiten desvelar las condiciones físicas de su interior», explica.

Imagen de la galaxia (U)LIRG Arp 220, perteneciente a la muestra del estudio tomada por el Telescopio Espacial James Webb. IMAGEN: NASA, ESA, CSA, K. Pontoppidan (STScI), A. Pagan (STScI)

Los elementos químicos, generados en el interior de las estrellas y expulsados al medio interestelar mediante procesos de viento estelar o en las etapas finales de la vida de dichas estrellas, son un indicador muy preciso del estado evolutivo de la galaxia. Cuanto mayor es la historia de formación estelar, mayor es la abundancia de elementos pesados. Además, la presencia de este tipo de átomos – como carbono, oxígeno, silicio o hierro –  favorece a su vez la formación de granos de polvo en el medio interestelar de las galaxias.

Uno de los principales resultados de este estudio demuestra que -a diferencia de lo que se pensaba hasta ahora- la proporción de elementos pesados de estas galaxias de gran emisión infrarroja no es muy diferente a las del resto de galaxias con menor presencia de polvo. «Este resultado sería consistente con el hecho de que la mayoría del polvo se habría creado como consecuencia de los vientos estelares causados por los brotes de formación estelar y por los efectos de la formación de agujeros negros supermasivos activos, pero amplificados en gran medida por la interacción y fusión de galaxias externas más pequeñas que convierten el gas en nuevas estrellas de manera mucho más eficiente», declara Enrique Pérez Montero, uno de los coautores del estudio.

«Cazadas» en plena fusión al detectar su rejuvenecimiento químico

Además, el equipo del IAA-CSIC ha detectado dentro de la muestra un pequeño número de galaxias con una abundancia de elementos pesados en el medio interestelar excepcionalmente mucho más baja respecto a lo esperable por su masa y tasa de formación estelar.  «Estas galaxias habrían sido observadas justo en el momento de experimentar la dilución química originada por la entrada desde el exterior de enormes cantidades de gas prácticamente sin elementos pesados durante el proceso de fusión con otras galaxias».

La aportación de este nuevo material explica el descenso observado en las abundancias, simulando así un rejuvenecimiento químico, y a su vez dispara la formación estelar, detalla Borja Pérez Díaz. «Esta fase de la evolución química de las galaxias sería muy breve en términos relativos, ya que las nuevas estrellas comienzan a sintetizar nuevamente elementos pesados y a restituir las abundancias del medio interestelar».

Este estudio, que ha empleado datos procedentes de diferentes telescopios infrarrojos como Spitzer (NASA) o  Herschel (ESA), abre nuevas perspectivas para el conocimiento de la formación y evolución de todas las galaxias en las primeras etapas del universo, en aspectos tan determinantes como el papel relativo de los procesos de formación estelar, la generación de polvo, y el rol de los núcleos activos y de la fusión de galaxias.