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• Un equipo de astronomía utilizó ALMA y el Very Large Array (VLA) de la NSF para detectar gas molecular en REBELS-25, una galaxia masiva con formación estelar activa observada apenas 700 millones de años después del Big Bang.
• Las observaciones revelan un reservorio de aproximadamente 100 mil millones de masas solares de gas frío — el combustible esencial para la formación de estrellas — en una de las galaxias más tempranas y distantes jamás estudiadas de esta manera.
• El VLA logró detectar a la mayor distancia registrada hasta la fecha un trazador clave del gas molecular, mientras que ALMA proporcionó una imagen detallada del entorno de formación estelar de la galaxia.

Un equipo de astronomía ha detectado directamente un vasto reservorio de gas molecular frío en REBELS-25, una galaxia masiva con formación estelar activa observada apenas 700 millones de años después del Big Bang. El descubrimiento, realizado con el Very Large Array (VLA) de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. (NSF) y el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) ofrece una medición directa y poco común del combustible disponible para la formación estelar en una galaxia del universo temprano.

REBELS-25 se observa a una distancia cósmica tan vasta que su luz ha sido estirada — o desplazada al rojo — por la expansión del universo, hasta un corrimiento al rojo de z = 7,31. Vemos la galaxia tal como era hace aproximadamente 13 mil millones de años, durante la Época de la Reionización — el período en que las primeras estrellas y galaxias estaban transformando el joven universo, cuando este tenía apenas el 5% de su edad actual.

Las galaxias crecen convirtiendo gas en estrellas, y el gas molecular es la materia prima fundamental de ese proceso. Hasta ahora, existía evidencia indirecta sólida de que algunas galaxias masivas tempranas contenían grandes reservas de gas, pero detectar directamente este material en épocas tan tempranas de la historia cósmica había resultado extremadamente difícil.

El equipo, liderado por Karin Cescon de la Universidad de Leiden, utilizó observaciones profundas del VLA para buscar débil emisión de radio proveniente del monóxido de carbono, o CO, una molécula ampliamente utilizada para trazar gas molecular. El VLA detectó una transición de CO de baja energía que traza gas relativamente frío — la detección más lejana de este tipo registrada hasta la fecha, y la primera en una galaxia con formación estelar tan temprana en la historia cósmica.

"Nuestros resultados muestran que galaxias de apenas 700 millones de años después del Big Bang ya contenían grandes reservorios de gas frío disponible para la formación estelar", señaló Karin Cescon, estudiante de doctorado en la Universidad de Leiden y autora principal del estudio. "Con estas profundas observaciones del VLA de la NSF, pudimos superar los desafíos observacionales que plantea el fondo cósmico de microondas."

Ese fondo — el antiguo resplandor de radiación que quedó del universo temprano — hace que estas observaciones sean especialmente difíciles. A alto corrimiento al rojo, es más cálido y brillante que hoy, como intentar distinguir una luz tenue contra un cielo cada vez más luminoso. Al corregir este efecto, el equipo derivó una masa de gas molecular de aproximadamente 100 mil millones de masas solares, cifra respaldada de forma independiente por el modelado de la emisión de CO y polvo.

ALMA jugó un papel crucial para completar el panorama. Sus observaciones detectaron emisión de monóxido de carbono de mayor energía y proporcionaron mediciones de polvo y carbono ionizado, revelando en conjunto las condiciones físicas del gas y confirmando que la emisión de CO coincide espacialmente con otros trazadores de formación estelar. Los resultados confirman que REBELS-25 está fuertemente dominada por gas, con un reservorio suficientemente grande para sostener una vigorosa formación estelar. Asimismo, sugieren que la emisión de carbono ionizado, una de las herramientas más poderosas de ALMA para estudiar galaxias tempranas, sigue siendo un trazador viable — aunque imperfecto — de gas molecular a estas distancias.

"Esta detección del VLA de la NSF es un emocionante anticipo de lo que vendrá con el ngVLA", destacó la profesora Jacqueline Hodge, directora de tesis doctoral de Karin en la Universidad de Leiden. "El ngVLA nos permitirá encontrar y estudiar gas frío en muchas más galaxias jóvenes, incluso en épocas aún más tempranas. Esto será crucial para entender cómo se formaron y crecieron las primeras galaxias."

El descubrimiento ayuda a explicar cómo algunas galaxias tempranas crecieron tanto y tan rápido. La confirmación directa de un reservorio de gas tan masivo — ensamblado cuando el universo era aún muy joven — sitúa a REBELS-25 entre los laboratorios más informativos para estudiar cómo las galaxias acumularon materia ordinaria, formaron estrellas y enriquecieron el contenido químico de su medio interestelar durante el primer mil millones de años de la historia cósmica.

En conjunto, ALMA y las instalaciones de radioastronomía actuales y futuras están abriendo una nueva ventana al estudio del suministro de combustible de las primeras galaxias. Ampliar la muestra de galaxias con este tipo de mediciones a z>7 será esencial para comprender con qué eficiencia las primeras galaxias formaron estrellas — y, en última instancia, cómo el universo llegó a ser como es hoy.

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Esta investigación se presenta en "Direct detection of cool molecular gas in a star-forming galaxy at z = 7.31", de K. Cescon et al., publicado en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Los datos del Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) utilizados en este estudio corresponden al proyecto 2021.1.01495.S. Las observaciones del VLA están disponibles bajo el proyecto 21A-335.

Este artículo se basa en el comunicado de prensa original del Observatorio Nacional de Radioastronomía (NRAO), de la Fundación Nacional de Ciencias de EE.UU., socio de ALMA en representación de Norteamérica.

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 (NSTC), 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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