El estudio de cómo nacen y mueren las estrellas individuales en las galaxias, cómo nacen nuevas estrellas a partir de restos de estrellas viejas y cómo crecen las propias galaxias son temas importantes en astronomía, ya que proporcionan información sobre nuestras raíces en el universo. Los cúmulos de galaxias, una de las estructuras más grandes del universo, son el conjunto de más de 100 galaxias que están unidas entre sí mediante una fuerza gravitacional mutua.
Las observaciones de galaxias cercanas han demostrado que el crecimiento de una galaxia depende de su entorno en el sentido de que las poblaciones estelares maduras se ven comúnmente en regiones donde las galaxias están densamente reunidas. Esto se conoce como el “efecto ambiental”. Aunque el efecto ambiental ha sido considerado una pieza importante para comprender la formación y evolución de las galaxias, no se sabe bien cuándo se inició el efecto en la historia del universo.
Una de las claves para entender esto es observar los ancestros de los cúmulos de galaxias poco después del nacimiento del universo; Conocidos como protocúmulos de galaxias (en adelante protocúmulos), son conjuntos de unas 10 galaxias distantes. Afortunadamente, la astronomía nos permite observar el universo lejano como era en el pasado. Por ejemplo, la luz de una galaxia a 13 mil millones de años luz tarda 13 mil millones de años en llegar a la Tierra, por lo que lo que observamos ahora es el aspecto que tenía esa galaxia hace 13 mil millones de años.
Sin embargo, la luz que viaja 13 mil millones de años luz se vuelve más débil, por lo que los telescopios que la observan deben tener alta sensibilidad y resolución espacial.
Un equipo de investigación internacional liderado por el profesor asistente Takuya Hashimoto (Universidad de Tsukuba, Japón) y el investigador Javier Álvarez-Márquez (Centro Español de Astrobiología) ha utilizado el Telescopio Espacial James Webb (JWST, que observa la luz visible e infrarroja) y el Atacama Large Millimeter /submillimeter Array (ALMA, observación de ondas de radio) para estudiar la “región central” del protocúmulo A2744z7p9OD.
El protocúmulo A2744z7p9OD había sido anunciado como el protocúmulo más distante a 13,14 mil millones de años luz de distancia según observaciones con JWST realizadas por otro grupo de investigación. “Sin embargo, no hemos podido observar toda la región central, el área metropolitana, con el mayor número de galaxias candidatas en este protocúmulo. No estaba claro si los efectos ambientales de las galaxias habían comenzado en este protocúmulo. Así que decidimos centrarnos nuestra investigación en la región central”, afirma Hashimoto.
El equipo de investigación observó por primera vez la región central de este protocúmulo utilizando JWST. Utilizando NIRSpec, un instrumento que observa espectros en longitudes de onda que van desde el visible hasta el infrarrojo cercano, el equipo realizó observaciones de espectroscopía de campo integral que pueden adquirir simultáneamente espectros de todas las ubicaciones dentro del campo de visión.
El equipo ha detectado con éxito luz ionizada de iones de oxígeno ([OIII] 5008 Å) de cuatro galaxias en una región cuadrangular que mide 36.000 años luz de lado, lo que equivale a la mitad del radio de la Vía Láctea. Basándose en el corrimiento al rojo de esta luz (el alargamiento de la longitud de onda debido a la expansión cósmica), la distancia de las cuatro galaxias a la Tierra se identificó en 13,14 mil millones de años luz.
“Me sorprendió cuando identificamos cuatro galaxias detectando emisiones de iones de oxígeno a casi la misma distancia. Las ‘galaxias candidatas’ en la región central eran efectivamente miembros del protocúmulo más distante”, dice Yuma Sugahara (Waseda/NAOJ), quien dirigió el análisis de datos de JWST.
Además, el equipo de investigación prestó atención a los datos de archivo de ALMA, que ya habían sido adquiridos para esta región. Los datos capturan las emisiones de radio del polvo cósmico en estas galaxias distantes. Como resultado de los análisis, detectaron emisiones de polvo de tres de las cuatro galaxias.
Esta es la primera detección de emisión de polvo en galaxias miembros de un protocúmulo tan atrás en el tiempo. Se cree que el polvo cósmico en las galaxias proviene de explosiones de supernovas al final de la evolución de estrellas masivas en las galaxias, que proporcionan el material para nuevas estrellas.
Por tanto, la presencia de grandes cantidades de polvo en una galaxia indica que muchas de las estrellas de primera generación de la galaxia ya han completado su vida y que la galaxia está creciendo. El profesor Luis Colina (El Centro de Astrobiología (CAB, CSIC-INTA)) describe la importancia de los resultados: “No se detectó emisión de polvo cósmico en galaxias miembros del protocúmulo fuera de la región central. Los resultados indican que muchas galaxias están agrupadas en una región pequeña y que el crecimiento de las galaxias se acelera, lo que sugiere que los efectos ambientales existieron sólo ~700 millones de años después del Big Bang”.
Además, el equipo de investigación realizó una simulación de formación de galaxias para probar teóricamente cómo se formaron y evolucionaron las cuatro galaxias en la región central. Los resultados mostraron que existía una región de densas partículas de gas unos 680 millones de años después del Big Bang. En el centro se forman cuatro galaxias, similares a la región central observada. Para seguir la evolución de estas cuatro galaxias, la simulación calculó procesos físicos como la cinemática de las estrellas y del gas, reacciones químicas, formación de estrellas y supernovas.
Las simulaciones mostraron que las cuatro galaxias se fusionan y evolucionan hasta convertirse en una única galaxia más grande en unas pocas decenas de millones de años, lo que supone una escala de tiempo corta en la evolución del universo.
“Hemos reproducido con éxito las propiedades de las galaxias en la región central gracias a la alta resolución espacial de nuestras simulaciones y al gran número de muestras de galaxias que tenemos. En el futuro nos gustaría explorar el mecanismo de formación de la región central y sus propiedades dinámicas con más detalle”, dice Yurina Nakazato, estudiante de posgrado de la Universidad de Tokio, quien analizó los datos de la simulación.
Javier Álvarez-Márquez (Centro Español de Astrobiología) dice: “Realizaremos observaciones más sensibles del protocúmulo A2744z7p9OD con ALMA para ver si hay galaxias que no eran visibles con la sensibilidad anterior. También aplicaremos el JWST y Las observaciones de ALMA, que han demostrado ser muy poderosas, permiten llegar a más protocúmulos para dilucidar el mecanismo de crecimiento de las galaxias y explorar nuestras raíces en el universo”.
El trabajo está publicado en The Astrophysical Journal Letters.
