Detectan galaxias primordiales masivas nadando en vasto océano de materia oscura

5 Diciembre, 2017 / Tiempo de lectura: 11 minutes

Los astrónomos creían que las primeras galaxias, aquellas que se formaron unos cientos de millones de años después del Big Bang, tendrían muchas similitudes con las galaxias enanas que vemos hoy en el Universo cercano. Estas aglomeraciones de estrellas luego conformarían las galaxias más grandes que, transcurridos los primeros miles de millones de años, terminarían dominando el Universo.

Sin embargo, las observaciones realizadas recientemente por el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) revelaron sorprendentes ejemplares de galaxias masivas llenas de estrellas correspondientes a una época en que el Cosmos tenía menos de mil millones de años. Estos hallazgos sugieren que los componentes galácticos pudieron unirse bastante rápido para formar galaxias más grandes.

Para compensar el efecto del lente gravitacional en estas galaxias, se comparan los datos de ALMA (izquierda) con una imagen modelo distorsionada por un lente gravitacional (segunda imagen). La diferencia se muestra en la tercera imagen a partir de la izquierda. A la derecha se muestra la estructura de la galaxia sin el efecto de lente gravitacional. Esta imagen muestra los diferentes rangos de velocidad dentro de la galaxia, que ALMA detecta en distintas frecuencias debido al efecto Doppler. Créditos: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); D. Marrone et al.

De las observaciones más recientes de ALMA se infiere que esta época de formación de galaxias masivas se remonta a tiempos aún más lejanos, cuando el Universo tenía tan solo 780 millones de años, o cerca de un 5 % de su edad actual.  ALMA también reveló que estas galaxias excepcionalmente grandes están contenidas en una estructura cósmica aún más grande: un halo de materia oscura con una masa equivalente a la de varios billones de soles.

Las dos galaxias están tan cerca (menos de la distancia que hay entre la Tierra y el centro de nuestra galaxia) que pronto se fusionarán y formarán la galaxia más grande que se haya observado en ese período de la historia cósmica. El hallazgo aporta nuevos detalles sobre el nacimiento de grandes galaxias y el papel que desempeña la materia oscura en la formación de las estructuras más masivas del Universo.

Los investigadores detallaron los resultados de este estudio en un artículo publicado en la revista Nature.

Representación artística de un par de galaxias en los comienzos del Universo. Créditos: NRAO/AUI/NSF; D. Berry

“Con estas increíbles observaciones de ALMA, los astrónomos están estudiando la galaxia más masiva que se conozca en los primeros mil millones de años del Universo, en pleno proceso de formación”, celebra Dan Marrone, profesor asociado de astronomía de la Universidad de Arizona en Tucson y autor principal del artículo.

Así, los astrónomos observan estas galaxias durante un período de la historia cósmica conocida como era de la reionización, cuando la mayor parte del espacio intergaláctico estaba envuelto en una oscura niebla de gas de hidrógeno frío. A medida que se formaron más estrellas y galaxias, su energía fue ionizando el hidrógeno presente entre las galaxias y revelando el Universo que vemos hoy.

“Para nosotros, se trataba de un período en que las pequeñas galaxias se habían esforzado por consumir el medio intergaláctico neutro”, explica Marrone. “Sin embargo, el creciente volumen de datos aportados por ALMA ha permitido corregir esa teoría, y sigue resituando más lejos en el pasado el período en que aparecieron las primeras galaxias realmente masivas”.

Las galaxias estudiadas por Marrone y su equipo, conocidas colectivamente como SPT0311-58, en un principio habían sido identificadas como una única fuente por el Telescopio del Polo Sur de la Fundación Nacional de Ciencia de EE. UU. En ese entonces, las observaciones habían revelado que era un objeto muy distante y brillante en la luz infrarroja, lo cual significaba que contenía mucho polvo y probablemente estaba experimentando un brote de formación estelar.  Posteriormente, las observaciones realizadas con ALMA permitieron determinar la distancia del objeto y resolver con precisión el par de galaxias en interacción.

Para realizar esa observación, ALMA se benefició del efecto de un lente gravitacional, que potenció la capacidad de observación del telescopio. Los lentes gravitacionales se forman cuando un objeto masivo, como una galaxia o un cúmulo de galaxias, se interpone y curva la luz de galaxias más distantes. Ahora bien, este fenómeno distorsiona la apariencia del objeto estudiado, por lo que requiere la aplicación de sofisticados modelos informáticos para reconstituir la imagen y verla sin distorsión.

Este proceso de deconvolución reveló detalles intrigantes de las galaxias, como el hecho de que en la más grande se están formando estrellas a razón de 2.900 masas solares por año, o que contiene cerca de 270.000 millones de veces la masa de nuestro Sol en puro gas y unos 3.000 millones de veces la masa solar en polvo. “Es una cantidad enorme de polvo, considerando lo joven que es este sistema”, comenta Justin Spilker, doctorado hace poco por la Universidad de Arizona y ahora investigador de posdoctorado de la Universidad de Texas en Austin.

Los astrónomos sostienen que el acelerado proceso de formación estelar en esta galaxia probablemente fue gatillado por un encuentro cercano con su pareja, que es un poco más pequeña, pero ya alberga cerca de 35.000 millones de masas solares en estrellas y está aumentando su tasa de formación estelar a un ritmo vertiginoso de 540 masas solares por año.

Los investigadores pudieron observar que las galaxias de esta época eran más caóticas que las que tenemos más cerca, y plantean que sus formas dispares se deben a las grandes cantidades de gas que cae sobre ellas y a sus interacciones y fusiones con sus vecinas.

Las nuevas observaciones también permitieron a los investigadores detectar la presencia de un halo gigante de materia oscura alrededor de ambas galaxias. La materia oscura es responsable de la gravedad que lleva al Universo a colapsar en distintas estructuras, como galaxias, grupos y cúmulo de galaxias, etc.

“Para saber si la existencia de una galaxia coincide con nuestra comprensión actual de la cosmología, hay que analizar el halo de materia oscura —la estructura colapsada de materia oscura— en la que se encuentra”, explica Chris Hayward, investigador asociado del Centro de Astrofísica Informática del Flatiron Institute, ubicado en la ciudad de Nueva York. “Afortunadamente, conocemos muy bien la proporción de materia oscura y materia normal en el Universo, así que podemos calcular la masa probable del halo de materia oscura”.

Al comparar sus cálculos con las predicciones cosmológicas actuales, los investigadores descubrieron que este halo es uno de los más masivos que deben de haber existido en la época.

“Estamos estudiando otras galaxias descubiertas con el Telescopio del Polo Sur, y tenemos muchos más datos que recién comenzamos a analizar. Nuestra esperanza es encontrar más objetos como este, quizá incluso más distantes, para entender mejor esta población de galaxias extremadamente polvorientas y, sobre todo, su relación con las demás galaxias de la época”, señala Joaquín Vieira, de la Universidad de Illinois en Urbana-Campaign.

“De todas formas, nuestra próxima ronda de observaciones con ALMA debería ayudarnos a entender qué tan rápido se formaron estas galaxias y a mejorar nuestra comprensión de los procesos de formación de galaxias masivas durante la reionización”, agrega Marrone.

Información adicional

Esta investigación está incluida en un artículo titulado "Galaxy growth in a massive halo in the first billion years of cosmic history," ["Crecimiento galáctico en un halo masivo en los primeros mil millones de años de la historia cósmica"] de D. Marrone et al., como parte del Advance Online Publication for Nature. [https://www.nature.com/nature].

El equipo de investigación estuvo compuesto por D. P. Marrone[1], J. S. Spilker[1], C. C. Hayward[2,3], J. D. Vieira[4], M. Aravena[5], M. L. N. Ashby[3], M. B. Bayliss[6], M. Be ́thermin[7], M. Brodwin[8], M. S. Bothwell[9,10], J. E. Carlstrom[11,12,13,14], S. C. Chapman[15], Chian-Chou Chen[16], T. M. Crawford[11,14], D. J. M. Cunningham[15,17], C. De Breuck[16], C. D. Fassnacht[18], A. H. Gonzalez[19], T. R. Greve[20], Y. D. Hezaveh[21,28], K. Lacaille[22], K. C. Litke[1], S. Lower[4], J. Ma[19], M. Malkan[23], T. B. Miller[15], W. R. Morningstar[21], E. J. Murphy[24], D. Narayanan[19], K. A. Phadke[4], K. M. Rotermund[15], J. Sreevani[4], B. Stalder[25], A. A. Stark[3], M. L. Strandet[26,27], M. Tang[1] y A. Weiß[26].

[1] Steward Observatory, University of Arizona, 933 North Cherry Avenue, Tucson, AZ 85721, USA

[2] Center for Computational Astrophysics, Flatiron Institute, 162 Fifth Avenue, New York, NY 10010, USA

[3] Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, 60 Garden Street, Cambridge, MA 02138, USA

[4] Department of Astronomy, University of Illinois, 1002 West Green St., Urbana, IL 61801

[5] Nucleo de Astronomía, Facultad de Ingeniería, Universidad Diego Portales, Av. Ejército 441, Santiago, Chile

[6] Kavli Institute for Astrophysics & Space Research, Massachusetts Institute of Technology, 77 Massachusetts Avenue, Cambridge, MA 02139, USA

[7] Aix Marseille Univ, CNRS, LAM, Laboratoire d’Astrophysique de Marseille, Marseille, France

[8] Department of Physics and Astronomy, University of Missouri, 5110 Rockhill Road, Kansas City, MO 64110, USA

[9] Cavendish Laboratory, University of Cambridge, 19 J.J. Thomson Avenue, Cambridge, CB3 0HE, UK

[10] Kavli Institute for Cosmology, University of Cambridge, Madingley Road, Cambridge CB3 0HA, UK

[11] Kavli Institute for Cosmological Physics, University of Chicago, 5640 South Ellis Avenue, Chicago, IL 60637, USA

[12] Department of Physics, University of Chicago, 5640 South Ellis Avenue, Chicago, IL 60637, USA

[13] Enrico Fermi Institute, University of Chicago, 5640 South Ellis Avenue, Chicago, IL 60637, USA

[14] Department of Astronomy and Astrophysics, University of Chicago, 5640 South Ellis Avenue, Chicago, IL 60637, USA

[15] Dalhousie University, Halifax, Nova Scotia, Canada

[16] European Southern Observatory, Karl Schwarzschild Straße 2, 85748 Garching, Germany

[17] Department of Astronomy and Physics, Saint Mary’s University, Halifax, Nova Scotia, Canada

[18] Department of Physics, University of California, One Shields Avenue, Davis, CA 95616, USA

[19] Department of Astronomy, University of Florida, Bryant Space Sciences Center, Gainesville, FL 32611 USA

[20] Department of Physics and Astronomy, University College London, Gower Street, London WC1E 6BT, UK

[21] Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology, Stanford University, Stanford, CA 94305, USA

[22] Department of Physics and Astronomy, McMaster University, Hamilton, ON L8S 4M1 Canada

[23] Department of Physics and Astronomy, University of California, Los Angeles, CA 90095-1547, USA

[24] National Radio Astronomy Observatory, 520 Edgemont Road, Charlottesville, VA 22903, USA

[25] Large Synoptic Survey Telescope, 950 North Cherry Avenue, Tucson, AZ 85719, USA

[26] Max-Planck-Institut fu ̈r Radioastronomie, Auf dem Hu ̈gel 69 D-53121 Bonn, Germany

[27] International Max Planck Research School (IMPRS) for Astronomy and Astrophysics, Universities of Bonn and Cologne

[28] Hubble Fellow

El Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), una instalación astronómica internacional, es una asociación entre el Observatorio Europeo Austral (ESO), la Fundación Nacional de Ciencia de EE. UU. (NSF) y los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales de Japón (NINS) en cooperación con la República de Chile. ALMA es financiado por ESO en representación de sus estados miembros, por NSF en cooperación con el Consejo Nacional de Investigaciones de Canadá (NRC) y el Ministerio de Ciencia y Tecnología de Taiwán (MOST), y por NINS en cooperación con la Academia Sinica (AS) de Taiwán y el Instituto de Ciencias Astronómicas y Espaciales de Corea del Sur (KASI).

La construcción y las operaciones de ALMA son conducidas por ESO en nombre de sus estados miembros; por el Observatorio Radioastronómico Nacional (NRAO), gestionado por Associated Universities, Inc. (AUI), en representación de Norteamérica; y por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) en nombre de Asia del Este. El Joint ALMA Observatory (JAO) tiene a su cargo la dirección general y la gestión de la construcción, así como la puesta en marcha y las operaciones de ALMA.