¿La formación de las primeras galaxias fue como un motor diésel o gripado?

Imagen del cúmulo Abell 370, una de las regiones del cielo observadas por el proyecto SHARDS Frontier Fields. Esta imagen es la más profunda jamás tomada para detectar galaxias con líneas de emisión, que están formando estrellas activamente. / SHARDS Frontier Fields

Una de las preguntas que tratan de responder los astrofísicos desde hace décadas es cómo y cuándo se formaron las primeras galaxias. En cuanto al cómo, una posibilidad es que la formación de las primeras estrellas dentro de las galaxias comenzara a un ritmo constante, construyendo lentamente un sistema cada vez más masivo.

Otra posibilidad es que la formación fuera más violenta y discontinua, con brotes de formación estelar intensos pero de corta duración, desencadenados por eventos como fusiones de galaxias y acumulaciones de gas amplificadas.

En este contexto, un grupo de astrofísicos del Centro de Astrobiología (CAB, CSIC-INTA), en colaboración con investigadores del Reino Unido, México y Chile, buscan pistas sobre el origen de las primeras estrellas y estructuras formadas en el universo.

Para ello analizan los datos del proyecto más ambicioso realizado con el telescopio espacial Hubble (HST) y el Gran Telescopio Canarias (GTC): el llamado programa Frontier Fields. Los primeros resultados se acaban de publicar en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS).

“La formación de galaxias se puede comparar con un coche”, explica el coautor Pablo G. Pérez-González del CAB y líder de la colaboración internacional: “Las primeras galaxias podrían haber tenido un motor de formación de estrellas ‘diésel’, sumando nuevas estrellas lenta pero continuamente, sin mucha aceleración y convirtiendo pausadamente el gas en estrellas relativamente pequeñas durante largos períodos de tiempo”.

“Pero la formación también podría haber sido desigual –añade–, como un motor gripado, con brotes de formación estelar que produjeron estrellas increíblemente grandes, capaces de deformar la propia galaxia y hacerla cesar su actividad por un tiempo o para siempre. Cada escenario está vinculado a diferentes procesos, como las fusiones de galaxias o la influencia de los agujeros negros supermasivos, y tienen un efecto sobre cuándo y cómo se formaron elementos como el carbono o el oxígeno, que son esenciales para nuestra vida”.

Estudio con galaxias análogas

Los autores han buscado análogos cercanos de las primeras galaxias formadas en el universo, para que pudieran estudiarse con mucho más detalle.

Alex Griffiths, de la Universidad de Nottingham (Reino Unido) y primer autor de este artículo, explica: “Hasta que no tengamos el nuevo telescopio espacial James Webb no podremos observar las primeras galaxias formadas en el universo, son demasiado débiles. Así que buscamos bestias similares en el universo cercano y las diseccionamos con los telescopios más potentes que tenemos actualmente”.

El enfoque seguido en este trabajo fue combinar la potencia de los telescopios más avanzados, como HST y GTC, con la ayuda de ‘telescopios naturales’.

Centro del cúmulo Abell 370 visto por GTC y por Hubble. Los datos Hubble tienen mejor resolución espacial debido a que no están afectados por las turbulencias de la atmósfera. Los datos GTC son incluso más profundos, revelando la existencia de algunas galaxias hasta ahora desconocidas y no detectadas por Hubble. / SHARDS Frontier Fields

El también coautor Chris Conselice, supervisor de la tesis doctoral de Griffiths, comenta sobre la estrategia: “Algunas galaxias viven en grandes grupos, los llamamos cúmulos, que contienen enormes cantidades de masa en forma de estrellas, pero también de gas y materia oscura. Su masa es tan grande que curvan el espacio-tiempo, y actúan como telescopios naturales. Estas llamadas lentes gravitacionales nos permiten ver galaxias débiles y distantes con mayor brillo y mayor resolución espacial, es como si tuviéramos una lupa construida por el propio universo”.

Las observaciones de algunos de estos cúmulos masivos que actúan como telescopios gravitacionales son la base del proyecto Frontier Fields, el más ambicioso programa del Hubble.

En el trabajo publicado en MNRAS, los autores combinaron el poder de lente gravitacional de algunos de los cúmulos de galaxias más masivos del universo con los datos excepcionales de GTC provenientes de un proyecto titulado Survey for high-z Red and Dead Sources (SHARDS), con el fin de localizar y estudiar algunas de las galaxias más pequeñas y débiles del universo cercano.

“Pudimos encontrar análogos a las primeras galaxias gracias a los datos SHARDS, que son de una calidad excepcional, combinándolos con los datos del Hubble, para detectar gas caliente calentado por estrellas recién formadas en galaxias muy pequeñas”, apuntan los autores.

“Este gas caliente emite en ciertas longitudes de onda, lo que llamamos líneas de emisión, en un proceso igual al que ocurre en una lámpara de neón. El análisis de estas líneas de emisión puede darnos una idea muy precisa de la formación y evolución de una galaxia”, añaden.

“Las observaciones de SHARDS Frontier Fields realizadas con GTC han proporcionado los datos más profundos jamás tomados para el descubrimiento de galaxias enanas a través de sus líneas de emisión”, explica Pérez-González, investigador principal del proyecto GTC SHARDS Frontier Fields.

“Nuestro principal resultado es que el inicio de la formación de galaxias es irregular, como el motor de un automóvil que da tirones o directamente gripado, con períodos de formación de estrellas muy violenta seguidos de intervalos donde la galaxia parece dormida”, agrega Griffiths.

“Es poco probable que las fusiones de galaxias hayan desempeñado un papel sustancial en el desencadenamiento de estos brotes de formación estelar y es más probable que se deba a otras causas que aumentaron la acumulación de gas, tenemos que indagar más”, concluyen los autores.

Referencia

Griffiths et al. Emission Line Galaxies in the SHARDS Frontier Fields I: Candidate Selection and the Discovery of Bursty Hα Emitters. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, octubre de 2021. DOI: 10.1093/mnras/stab2566

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