ALMA revela estructuras ocultas en las primeras galaxias del universo

CRISTAL, un programa liderado desde Chile, rastrea gas frío, polvo y luz estelar en 39 galaxias a tan solo mil millones de años del Big Bang

Un equipo internacional de astrónomas y astrónomos utilizó el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) para observar el universo primitivo y descubrir las piezas fundamentales con las que se formaron las galaxias. El programa CRISTAL, sigla en inglés de [CII] Resolved ISM in STar-forming galaxies with ALMA, reveló la presencia de gas frío, polvo y nacimientos estelares en galaxias observadas tal como eran cuando el universo tenía apenas mil millones de años.

“Gracias a la sensibilidad y resolución únicas de ALMA, hoy podemos estudiar la estructura interna de estas galaxias jóvenes como nunca antes había sido posible”, señala Rodrigo Herrera-Camus, investigador principal del programa CRISTAL, profesor de la Universidad de Concepción y director del Núcleo Milenio para la Formación de Galaxias (MINGAL). “CRISTAL nos está mostrando cómo se formaron los primeros discos galácticos, cómo surgieron estrellas en enormes cúmulos y cómo el gas moldeó las galaxias que vemos en la actualidad.”

CRISTAL, un programa grande (Large Program) de ALMA, observó 39 galaxias formadoras de estrellas seleccionadas por representar a la población más común en el universo temprano. Para trazar el gas frío y el polvo, el equipo utilizó la emisión de la línea [CII], un tipo específico de luz emitida por átomos de carbono ionizado en el gas interestelar frío. Estas observaciones se combinaron con imágenes en el infrarrojo cercano tomadas por los telescopios espaciales James Webb y Hubble, logrando así un mapa detallado del medio interestelar en cada sistema. Entre los principales hallazgos, se observó que la mayoría de las galaxias presentaban nacimientos estelares en grandes cúmulos de varios miles de años luz de extensión, lo que permite entender cómo se ensamblan y evolucionan las regiones de formación estelar. Algunas galaxias mostraron señales de rotación, lo que indica la formación temprana de estructuras similares a discos, precursoras de galaxias espirales modernas. En muchos casos, la emisión de [CII] se extendía más allá de donde se observa la luz de las estrellas, señalando la presencia de gas frío que podría alimentar futuros nacimientos estelares o ser expulsado por vientos estelares.

“Lo emocionante del programa CRISTAL es que no estamos viendo simplemente puntos de luz, sino ecosistemas complejos”, explicó Loreto Barcos-Muñoz, coautora del estudio, astrónoma del National Radio Astronomy Observatory (NRAO) de Estados Unidos y punto de contacto científico de ALMA para esta investigación. “Este proyecto demuestra cómo ALMA puede resolver la estructura interna de galaxias incluso en el universo lejano, revelando cómo evolucionan, interactúan y forman nuevas estrellas.”

Entre las galaxias observadas, dos casos llamaron particularmente la atención. CRISTAL-13 muestra enormes nubes de polvo cósmico que bloquean la luz visible de las estrellas recién nacidas. Esta luz es absorbida y reemitida en longitudes de onda milimétricas que ALMA sí puede detectar, revelando estructuras completamente ocultas para telescopios ópticos o infrarrojos. CRISTAL-10, en cambio, es un caso enigmático: su emisión de carbono ionizado es inusualmente débil en comparación con su brillo infrarrojo, un fenómeno que solo se ha visto en galaxias muy enrojecidas y polvorientas como Arp 220, en el universo cercano. Esto sugiere condiciones físicas extremas o una fuente de energía inusual en su medio interestelar.

“Estas observaciones refuerzan el rol de ALMA no solo como telescopio, sino también como una verdadera máquina del tiempo, que nos permite mirar hacia las primeras etapas del universo”, afirmó Sergio Martín, jefe del Departamento de Operaciones Científicas de ALMA. “Programas como CRISTAL muestran el valor estratégico de los Large Programs: permiten abordar grandes preguntas sobre la evolución cósmica con una profundidad y resolución que solo un observatorio de clase mundial como ALMA puede ofrecer.”

Al realizar el primer estudio sistemático del gas frío en galaxias tempranas y compararlo con sus estrellas y polvo, CRISTAL abre una nueva ventana al pasado cósmico. Este trabajo sienta las bases para futuras observaciones que podrían revelar cómo las galaxias pasaron de fases turbulentas a convertirse en los sistemas estructurados que observamos en el universo cercano. “CRISTAL nos entrega datos de múltiples longitudes de onda que nos permiten poner a prueba y perfeccionar nuestras teorías sobre la evolución de las galaxias”, concluyó Herrera-Camus. “Es un gran paso para entender cómo se formaron galaxias como la Vía Láctea.”

Información adicional

Esta investigacion fue publicada bajo el título "The ALMA-CRISTAL survey: Gas, dust, and stars in star-forming galaxies when the Universe was ∼1 Gyr old" [El sondeo ALMA-CRISTAL: gas, polvo y estrellas en galaxias formadoras de estrellas cuando el Universo tenía aproximadamente 1.000 millones de años] en Astronomy & Astrophysics por R. Herrera-Camus et al.

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 miembro, por NSF en cooperación con el Consejo Nacional de Investigaciones de Canadá (NRC) y el Consejo Nacional 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 miembro; por el Observatorio Radioastronómico Nacional (NRAO), gestionado por Associated Universities (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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