ALMA revela misterio de galaxias masivas apagadas del Universo primitivo

22 Septiembre, 2021 / Tiempo de lectura: 8 minutes

Las galaxias masivas formadas durante la infancia del Universo, en los 3.000 millones de años siguientes al Big Bang, debían contener grandes cantidades de gas de hidrógeno frío, un combustible necesario para la formación de estrellas. Sin embargo, un equipo de científicos que observó el Universo primitivo con el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) y el telescopio espacial Hubble descubrió algo extraño: cerca de una docena de galaxias masivas que agotaron todo su combustible. Los resultados de la investigación se publicaron hoy en la revista Nature.

Las seis galaxias observadas, detectadas inicialmente en el marco del estudio REsolving QUIEscent Magnified galaxies at high redshift (REQUIEM, ‘Resolución de galaxias inertes magnificadas en alto desplazamiento al rojo’), se conocen como galaxias apagadas, puesto que ya no forman estrellas, y no corresponden a lo que los astrónomos esperaban ver en el Universo primitivo. 

“Las galaxias más masivas del Universo eran muy prolíficas, y produjeron sus estrellas en un lapso considerablemente corto. El gas, que sirve de combustible para la formación estelar, debería abundar en esta etapa temprana del Universo”, explica Kate Whitaker, autora principal de la investigación y profesora asistente de astronomía de la Universidad de Massachusetts, en Amherst. “Hasta ahora creíamos que estas galaxias apagadas habían interrumpido su actividad algunos miles de millones de años después del Big Bang. En nuestra investigación llegamos a la conclusión de que las galaxias de esa época no llegaron a detener el motor, sino que siguieron avanzando con el tanque vacío”. 

Para entender mejor cómo las galaxias se formaron y se extinguieron, los científicos usaron el telescopio Hubble, que reveló detalles sobre las estrellas que estas contenían. En observaciones realizadas en forma paralela con ALMA se estudió la emisión del continuo de las galaxias (un marcador del polvo) en longitudes de onda milimétricas, lo que permitió al equipo calcular la cantidad de gas presente en ellas. La combinación de los datos de ambos telescopios respondió a un plan cuidadoso, puesto que el objetivo del estudio REQUIEM es usar lentes gravitacionales intensos como telescopios naturales a fin de observar galaxias apagadas con una mayor resolución espacial. De esa forma, los científicos pudieron observar el interior de las galaxias, algo que suele ser imposible cuando no hay actividad de formación estelar.

“Las galaxias que dejan de producir estrellas rápidamente se vuelven muy tenues, por lo que es muy difícil o incluso imposible observarlas en detalle con un solo tipo de telescopio. El estudio REQUIEM soluciona este problema observando galaxias expuestas a lentes gravitacionales, es decir, cuya luz se curva y se amplifica al rozar otras galaxias mucho más cercanas a la Vía Láctea”, explica Justin Spilker, coautor de la investigación e investigador de posdoctorado del programa NASA Hubble en la Universidad de Texas, en Austin. “De esa forma, el lente gravitacional, sumado a la capacidad de resolución y la sensibilidad del telescopio Hubble y de ALMA, funciona como un telescopio natural que nos permite ver esas galaxias moribundas mucho más grandes y brillantes de lo que realmente son, y entender qué pasa realmente allí”.  

Las nuevas observaciones revelaron que la interrupción de la formación estelar en las seis galaxias estudiadas no se debe a una ineficiencia súbita en el proceso de conversión del gas en estrellas, sino que es el resultado del agotamiento o el despojo del gas presente en las galaxias. “Todavía no sabemos por qué sucede eso. Dos explicaciones posibles serían la interrupción del suministro de gas primario que alimenta a la galaxia o un agujero negro supermasivo que le inyecta energía y, de esa forma, impide que el gas se enfríe”, comenta Christina Williams, astrónoma de la Universidad de Arizona y coautora del estudio. ”Básicamente, esto significa que las galaxias son incapaces de volver a llenar el tanque y, por consiguiente, de volver a arrancar el motor de la fábrica de estrellas”.

El estudio también fue pionero en la medición de galaxias masivas del Universo primitivo y aportó información sintetizada que podrá utilizarse en los futuros estudios sobre esa época del Universo durante muchos años más. “Estas son las primeras mediciones del continuo de polvo frío de galaxias apagadas distantes, y las primeras fuera del Universo local”, celebra Kate Whitaker, y agrega que el nuevo estudio ha permitido a los científicos calcular cuánto gas contiene cada galaxia de estas. “Pudimos estudiar el combustible de los procesos de formación estelar en estas antiguas galaxias masivas con la precisión suficiente para obtener las primeras lecturas del estado del tanque de combustible, lo cual nos proporcionó información fundamental que no teníamos sobre las propiedades del gas frío contenido en estas galaxias”.  

Si bien los científicos ahora saben que estas galaxias carecen de combustible y algo les impide volver a llenar el tanque para volver a fabricar estrellas, este es apenas el primero de una serie de estudios necesarios para entender qué puso en marcha (o no) las primeras galaxias masivas. “Nos queda mucho por aprender para poder entender por qué las galaxias más masivas se formaron en una época tan joven del Universo y por qué dejaron de producir estrellas, cuando tenían tanto gas frío a su disposición”, señala Kate Whitaker. “El simple hecho de que estas bestias cósmicas hayan dado nacimiento a 100.000 millones de estrellas en un lapso de unos 1.000 millones de años y luego se hayan apagado repentinamente es un misterio que nos encantaría resolver, y el estudio REQUIEM nos dio la primera pista”.

Información adicional

“Los depósitos de gas agotados impulsan la extinción masiva de galaxias en el universo temprano” [Exhausted gas reservoirs drive massive galaxy quenching in the early universe] por K. Whitaker et al., publicado el 23 de septiembre de 2021 en la revista Nature, , preimpresión: [https://public.nrao.edu/wp-content/uploads/2021/09/Whitaker_Galaxies_Nature_Preprint.pdf]

STScI ha publicado un comunicado de prensa complementario en: https://hubblesite.org/contents/news-releases/2021/news-2021-039

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 Sínica (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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