Estudiante de pregrado observa joven galaxia en plena maduración y revela indicios de que las galaxias del Universo primitivo podrían ser más grandes y complejas de lo que se creía

14 Junio, 2022 / Tiempo de lectura: 10 minutes

Gracias al Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) un equipo de investigación observó una cantidad considerable de gas neutro y frío en las zonas periféricas de la joven galaxia A1689-zD1, así como erupciones de gas caliente provenientes de su centro. Este estudio podría arrojar luces sobre una etapa crucial de la evolución de las galaxias en su juventud, cuando recién emprenden los procesos de transformación que las convierten en objetos más estructurados, como sus primas más maduras. Los resultados de las observaciones se presentaron hoy en una conferencia de prensa durante la asamblea N^o 240 de la Sociedad Astronómica Estadounidense (AAS, en su sigla en inglés), celebrada en Pasadena (California, EE. UU.), y se publicarán la revista The Astrophysical Journal (ApJ).

A1689-zD1 es una joven y activa incubadora de estrellas, ligeramente menos luminosa y masiva que la Vía Láctea, ubicada a unos 13.000 millones de años luz de la Tierra, en el cúmulo de Virgo. Esta galaxia, que se encuentra oculta detrás del cúmulo de galaxias Abell 1689, fue descubierta en 2007, y su existencia fue confirmada en 215 gracias al efecto de lente gravitacional, que amplifica su brillo en más de 9 veces. Desde entonces, la comunidad científica continuó estudiándola, buscando confirmar si su evolución era representativa de otras galaxias “normales”. El calificativo normal constituye una distinción importante que ha ayudado a la comunidad científica a separar las características y el comportamiento de A1689-zD1 en dos categorías: las galaxias típicas y las singulares, estas últimas con características poco comunes, similares a las de galaxias más maduras y masivas.

“A1689-zD1 pertenece a una época muy temprana del Universo primitivo: tan solo 700 millones de años después del Big Bang. Una época en que las galaxias recién empezaban a formarse”, comenta Hollis Akins, estudiante de pregrado en astronomía en Grinnell College y autor principal del estudio. “Lo que vemos en estas nuevas observaciones son indicios de procesos que podrían contribuir a la evolución de lo que llamamos galaxias normales, por oposición a las galaxias masivas. Y lo más importante es que hasta ahora no creíamos que estos procesos se daban en galaxias normales”.

Uno de estos procesos poco comunes en esta galaxia es la producción y distribución de combustible que sirve para formar estrellas, y en grandes cantidades. El equipo de investigación usó la elevada sensibilidad del receptor de Banda 6 de ALMA para observar en detalle un halo de gas de carbono que se extiende mucho más allá del centro de la joven galaxia. Esto podría delatar la existencia de procesos de formación estelar en la misma región o bien ser el resultado de disrupciones estructurales, como fusiones o erupciones en las primeras etapas de formación de la galaxia.

Según Hollis Akins, se trata de un fenómeno inusual en las primeras galaxias del Universo. “El gas de carbono que observamos en esta galaxia suele encontrarse en las mismas regiones donde hay gas de hidrógeno neutro, que también es donde suelen formarse nuevas estrellas. De suceder lo mismo en A1689-zD1, esta galaxia probablemente sea mucho más grande de lo que se creía. También es posible que este halo sea un remanente de actividad galáctica anterior, como fusiones que hubieran ejercido complejas fuerzas gravitacionales sobre la galaxia y causado la expulsión de una gran cantidad de gas neutro a lo largo de grandes distancias. En ambos casos, la temprana evolución de esta galaxia probablemente fue activa y dinámica, y estamos viendo que esta podría ser una característica común, aunque hasta ahora desconocida, en los procesos de formación de las primeras galaxias”.

Más que ser simplemente poco común, este hallazgo podría tener implicaciones importantes para el estudio de la evolución de las galaxias, máxime considerando que las observaciones de radio suelen revelar detalles que los telescopios ópticos no detectan. Seiji Fujimoto, investigador de posdoctorado del Cosmic Dawn Center del Instituto Niels Bohr y coautor del estudio, señala: “La emisión del gas de carbono de A1689-zD1 es mucho más extensa de lo que se había observado con el telescopio espacial Hubble, lo cual podría significar que las primeras galaxias podrían no ser tan pequeñas como parecen. Y si resultan ser más grandes de lo que creíamos, este hallazgo tendría repercusiones importantes en la teoría sobre la formación y evolución de las galaxias del Universo primitivo”.

El equipo dirigido por Hollis Akins también observó erupciones de gas ionizado caliente –generalmente causadas por alguna actividad galáctica violenta como una supernova– desde el centro de la galaxia hacia fuera. Considerando su naturaleza explosiva, es posible que estas erupciones estén relacionadas de alguna forma con el halo de carbono. “Las erupciones son el resultado de una actividad violenta, como la explosión de una supernova, que expulsa material gaseoso hacia fuera de la galaxia, o de la presencia de agujeros negros en el centro de las galaxias, cuyo fuerte efecto magnético puede generar potentes chorros que expulsan material. Por eso, hay grandes probabilidades de que estas erupciones calientes tengan algo que ver con la presencia del frío halo de carbono. Esto pone de manifiesto la importancia de la naturaleza multifase, o de caliente a frío, del gas expulsado.

Darach Watson, profesor asociado del Cosmic Dawn Center del Instituto Niels Bohr y coautor del estudio, confirmó en 2015 que A1689-zD1 era una galaxia de alto desplazamiento al rojo, con lo que pasó a ser la galaxia polvorienta más distante que se haya observado. “Hemos visto este tipo de emisión de halo de gas en galaxias que se formaron más tarde en el Universo, pero verlo en una galaxia en una época tan lejana significa que este tipo de comportamiento es universal incluso en las galaxias más modestas donde se formó la mayoría de las estrellas en el Universo primitivo. Entender cómo ocurrieron estos procesos en una galaxia tan joven es fundamental para entender cómo se forman las estrellas en el Universo primitivo”.

Kirsten Knudsen, profesora de astrofísica del Departamento de Espacio, Tierra y Medio Ambiente de la Chalmers University of Technology y coautora del estudio, encontró indicios del continuo de polvo de A1689-zD1 en 2017. Kirsten destacó la suerte de contar con un efecto de lente gravitacional extremo que permitió cada uno de estos nuevos hallazgos. “Como las señales de A1689-zD1 se ven amplificadas en más de nueve veces, podemos ver detalles muy importantes que, de lo contrario, serían muy difíciles de observar en condiciones normales en galaxias tan distantes. Lo que vemos ahora es que en realidad las galaxias del Universo primitivo son muy complejas, y esta galaxia seguirá imponiendo desafíos y aportando nuevos resultados durante un buen tiempo”.

El Dr. Joe Pesce, oficial del programa ALMA de la NSF, agregó: "Esta fascinante investigación de ALMA se suma a un creciente cuerpo de resultados que indican que las cosas no son como esperábamos en el Universo primitivo, ¡pero son de todos modos realmente interesantes y emocionantes!".

En enero de 2023 se realizarán observaciones espectroscópicas e infrarrojas de A1689-zD1 con los instrumentos NIRSpec Integral Field Unit (IFU) y NIRCam del telescopio espacial James Webb. Las nuevas observaciones complementarán los datos recabados hasta entonces por el HST y ALMA, y ofrecerán una vista más detallada y completa de la joven galaxia en múltiples longitudes de onda.

Información adicional

El artículo de esta investigación se publicará bajo el título "ALMA reveals extended cool gas and hot ionized out in a typical star-forming galaxy at z = 7.13," por Akins et al. en The Astrophysical Journal.

El comunicado de prensa original fue publicado por el Observatorio Radioastronómico Nacional de los Estados Unidos (NRAO), socio de ALMA en nombre de América del Norte.

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.

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