Las galaxias del Universo primitivo eran sorprendentemente maduras

27 octubre, 2020

Artículo Científico

Las galaxias masivas ya eran mucho más maduras en el Universo primitivo de lo que se pensaba. Fue lo que reveló un equipo internacional de astrónomos que estudió 118 galaxias distantes con el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA).

La mayoría de las galaxias se formó cuando el Universo aún era muy joven. La nuestra, por ejemplo, probablemente empezó a formarse hace 13.600 millones de años, y hoy nuestro Universo tiene 13.800 millones de años. Cuando el Universo tenía solo un 10 % de su edad actual (entre 1.000 y 1.500 millones de años después del Big Bang), la mayoría de las galaxias experimentó una especie de “estirón”. En ese momento, las galaxias adquirieron gran parte de su masa estelar y otras propiedades como el contenido de polvo y de elementos pesados y las formas en espiral que vemos en las galaxias más cercanas. De ahí que, para entender cómo se formaron las galaxias como nuestra Vía Láctea, sea tan importante estudiar esa época cósmica.

En el marco de la campaña de observación llamada ALPINE (o ‘Gran Programa de ALMA par Observar C+ en Épocas Remotas’, por su sigla en inglés), un equipo internacional de astrónomos estudió 118 galaxias que se encontraban en pleno “estirón” en el Universo primitivo. “Para nuestra sorpresa, muchas de ellas ya estaban mucho más maduras de lo que esperábamos”, cuenta Andreas Faisst, del Centro de Análisis y Procesamiento Infrarrojo (IPAC, en su sigla en inglés) del Instituto de Tecnología de California (Caltech).

Las galaxias se consideran más maduras que primordiales cuando contienen una cantidad considerable de polvo y elementos pesados. “No esperábamos ver tanto polvo y elementos pesados en estas galaxias distantes”, agrega el científico. El polvo y los elementos pesados (definidos por los astrónomos como elementos más pesados que el hidrógeno y el helio) son considerados subproductos de estrellas moribundas. Pero como las galaxias del Universo primitivo todavía no han tenido tiempo suficiente para producir estrellas, los astrónomos no esperaban que contuvieran grandes cantidades de polvo ni elementos pesados.

“Los estudios realizados anteriormente nos habían mostrado que las galaxias tan jóvenes contienen poco polvo”, explica Daniel Schaerer, de la Universidad de Ginebra (Suiza). “Sin embargo, descubrimos que cerca del 20 % de las galaxias que se formaron durante esta época remota contienen mucho polvo y que una proporción considerable de la luz ultravioleta emitida por las estrellas recién formadas ya es opacada por ese polvo”, agrega.

Muchas de las galaxias observadas también son consideradas relativamente maduras porque presentan estructuras muy diversas, que incluyen las primeras señales de discos giratorios, los cuales, posteriormente, podrían formar estructuras en espiral como la de nuestra Vía Láctea. Por lo general, los astrónomos esperan que las galaxias del Universo primitivo estén maltrechas debido a las frecuentes colisiones a las que se ven sometidas. “Vemos muchas galaxias en proceso de colisión, pero también vemos algunas que giran de forma ordenada, sin presentar señales de colisiones”, afirma John Silverman, del Instituto Kavli de Física y Matemática del Universo, en Japón.

ALMA ya había observado galaxias muy distantes, como MAMBO-9 (una galaxia con mucho polvo) y el Disco Wolfe (una galaxia con un disco giratorio). No obstante, era difícil determinar si estos hallazgo eran únicos o si había más galaxias similares. ALPINE es la primera campaña que permitió a los astrónomos estudiar una cantidad significativa de galaxias del Universo primitivo, y los resultados obtenidos demuestran que esas galaxias pueden evolucionar más rápido de lo que se creía. Así y todo, los científicos aún o entienden a cabalidad cómo crecieron tan rápido ni por qué algunas ya tienen discos giratorios.

Las observaciones realizadas con ALMA fueron cruciales para esta investigación, puesto que los radiotelescopios pueden observar los procesos de formación de estrellas ocultas por el polvo y determinar el movimiento del gas emanado de zonas incubadoras de estrellas. Para estudiar las galaxias del Universo primitivo se suelen usar telescopios ópticos e infrarrojos, que permiten medir las masas de las estrellas formadas y en formación que no se encuentren opacadas por polvo. Sin embargo, con estas herramientas es más difícil observar zonas oscurecidas por el polvo, donde suelen formarse las estrellas, y medir el movimiento del gas presente en las galaxias. A veces, simplemente no se logra ver galaxia alguna. “Con ALMA descubrimos galaxias distantes cuya existencia desconocíamos. Ni siquiera el telescopio Hubble había podido detectarlas”, comenta Lin Yan, de Caltech.

Para saber más sobre las galaxias distantes, los astrónomos quieren apuntar ALMA hacia galaxias individuales durante más tiempo. “Queremos ver exactamente dónde está el polvo y cómo se desplaza el gas. También queremos comparar las galaxias que contienen mucho polvo con otras situadas a la misma distancia y ver si hay algo especial en sus entornos”, explica Paolo Cassata, de la Universidad de Padua (Italia), quien anteriormente se desempeñaba en la Universidad de Valparaíso (Chile).

ALPINE es la primera campaña de observación de galaxias del Universo primitivo en longitudes de onda múltiples. Para obtener una amplia muestra de galaxias los investigadores recabaron datos de observaciones ópticas (de los telescopios Subaru, VISTA, Hubble, Keck y VLT), infrarrojas (Spitzer) y de radio (ALMA). Estos estudios en longitudes de onda múltiples son necesarios para entender a cabalidad cómo se forman las galaxias. “Solo se pueden llevar a cabo campañas tan grandes y complejas como esta gracias a la colaboración entre distintas entidades de todo el mundo”, comenta Matthieu Béthermin, del Laboratorio de Astrofísica de Marsella (Francia).

Información adicional

La lista de las publicaciones de ALPINE disponibles a la fecha se puede consultar en: http://alpine.ipac.caltech.edu/#publications.

Los artículos de ALPINE están dedicados a la memoria de Olivier Le Fèvre, investigador principal de ALPINE.

Los coinvestigadores principales de ALPINE son:
– Andreas Faisst, Caltech/IPAC (EE. UU.)
– Lin Yan, Caltech (EE. UU.)
– Peter Capak, Caltech/IPAC (EE. UU.)
– John Silverman, Instituto Kavli de Física y Matemática del Universo (Japón)
– Matthieu Béthermin, Laboratorio de Astrofísica de Marsella (Francia)
– Paolo Cassata, Universidad de Padua (Italia)
– Daniel Schaerer, Universidad de Ginebra (Suiza)

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.

Imágenes

Imagen de dos galaxias con mucho polvo obtenidas con ALMA - Estas son dos galaxias del Universo primitivo observadas con ALMA en ondas de radio. Se consideran más maduras que primordiales porque contienen grandes cantidades de polvo (en amarillo). ALMA también reveló la presencia de gas (en rojo), a partir del cual se puede estudiar la formación de estrellas y los movimientos de las galaxias opacadas por el polvo. Créditos: B. Saxton NRAO/AUI/NSF, ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), equipo de ALPINE
Imagen de dos galaxias con mucho polvo obtenidas con ALMA – Estas son dos galaxias del Universo primitivo observadas con ALMA en ondas de radio. Se consideran más maduras que primordiales porque contienen grandes cantidades de polvo (en amarillo). ALMA también reveló la presencia de gas (en rojo), a partir del cual se puede estudiar la formación de estrellas y los movimientos de las galaxias opacadas por el polvo. Créditos: B. Saxton NRAO/AUI/NSF, ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), equipo de ALPINE
Representación artística de una galaxia giratoria distante con mucho polvo - Representación artística de una galaxia del Universo primitivo que contiene una gran cantidad de polvo y muestra las primeras señales de un disco giratorio. El rojo representa el gas, y el azul y el café representan el polvo observado en ondas de radio por ALMA. En el fondo se ven muchas otras galaxias basadas en datos ópticos de los telescopios VLT y Subaru. Créditos: B. Saxton NRAO/AUI/NSF, ESO, NASA/STScI; NAOJ/Subaru
Representación artística de una galaxia giratoria distante con mucho polvo – Representación artística de una galaxia del Universo primitivo que contiene una gran cantidad de polvo y muestra las primeras señales de un disco giratorio. El rojo representa el gas, y el azul y el café representan el polvo observado en ondas de radio por ALMA. En el fondo se ven muchas otras galaxias basadas en datos ópticos de los telescopios VLT y Subaru. Créditos: B. Saxton NRAO/AUI/NSF, ESO, NASA/STScI; NAOJ/Subaru

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Animación artística de una galaxia giratoria distante
Animación artística de una galaxia del Universo primitivo que contiene una gran cantidad de polvo y muestra las primeras señales de un disco giratorio. El rojo representa el gas, y el azul y el café representan el polvo observado en ondas de radio por ALMA. En el fondo se ven muchas otras galaxias basadas en datos ópticos de los telescopios VLT y Subaru.
Créditos: B. Saxton NRAO/AUI/NSF, ESO, NASA/STScI; NAOJ/Subaru | Descargar video
Video de comunicado de prensa
Breve video que explica los resultados de esta investigación. Créditos: B. Saxton NRAO/AUI/NSF | Descargar video

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