La existencia de galaxias elípticas masivas en el universo primitivo ha intrigado a los astrónomos durante dos décadas. Un equipo internacional dirigido por Nikolaus Sulzenauer y Axel Weiß, del Instituto Max Planck de Radioastronomía (MPIfR), utilizó datos del Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) para arrojar luz sobre esta incógnita sobre la formación de galaxias. Estudiaron con gran detalle una de las agregaciones galácticas más espectaculares y publicaron sus resultados en el último número de The Astrophysical Journal.
Resolviendo un misterio cósmico
Una observación sorprendente ha intrigado a los astrónomos durante dos décadas: las galaxias masivas y evolucionadas ya existían tan solo unos pocos miles de millones de años después del Big Bang. Los investigadores esperaban encontrar únicamente galaxias con estrellas jóvenes y formación estelar en curso en una etapa tan temprana de la historia de nuestro universo. En cambio, existen muchas galaxias elípticas con poblaciones estelares más antiguas y muy poco gas frío para formar nuevas estrellas. Estas observaciones suponen un desafío para los modelos de formación de estructuras cosmológicas.
El grupo liderado por astrónomos del MPIfR ha dado un gran paso en la comprensión de estos sistemas. «En un universo donde las galaxias más grandes crecen jerárquicamente mediante interacciones gravitacionales y fusiones de bloques de construcción más pequeños, algunas galaxias elípticas gigantes debieron formarse de forma completamente distinta a lo que se creía.
En lugar de acumular masa lentamente a lo largo de 14 000 millones de años, una galaxia elíptica masiva podría surgir rápidamente en tan solo unos cientos de millones de años. «Puede formarse mediante el colapso y la coalescencia de una estructura primordial principal, en el tiempo que tarda el Sol en orbitar una vez alrededor del centro de la Vía Láctea», explica Sulzenauer, investigador de doctorado en el MPIfR y la Universidad de Bonn, y primer autor que dirigió el análisis.
«Encontramos que las estructuras con las densidades más altas debieron desacoplarse primero de la expansión del universo a tan solo el 10 % de la edad cósmica actual, y luego ensamblar rápidamente protocúmulos enteros». La compresión del gas desencadena un espectáculo cósmico de fuegos artificiales, prodigiosamente brillante al calentarse por la actividad de formación estelar. Es un faro en longitudes de onda del infrarrojo lejano a las milimétricas, y por lo tanto accesible a observatorios como ALMA y el Experimento Pionero de Atacama (APEX).
Observando una transformación
El equipo observó el gas y el polvo fríos en el centro de SPT2349-56, un protocúmulo descubierto tan solo 1.400 millones de años después del Big Bang y ubicado en la constelación austral del Fénix. SPT2349-56 permite vislumbrar de forma excepcional los primeros cúmulos, los núcleos principales de galaxias elípticas masivas. «SPT2349-56 ostenta el récord de la fábrica estelar más vigorosa», comenta Weiß, quien también participó en el descubrimiento original de SPT2349-56 con APEX.
«En el centro, encontramos cuatro galaxias en estrecha interacción que forjan una estrella cada 40 minutos», añade Ryley Hill, de la Universidad de Columbia Británica (UBC) en Canadá. A modo de comparación, actualmente se tarda un año entero en formar tres o cuatro estrellas en la Vía Láctea.
«Es importante destacar», señala Sulzenauer, «que este cuarteto de galaxias lanza brazos de marea gigantes coherentes a 300 kilómetros por segundo, extendiéndose sobre un área mucho mayor que la Vía Láctea. Brillan intensamente en longitudes de onda submilimétricas, y su brillo se multiplica por diez gracias a las ondas de choque que excitan los átomos de carbono ionizados. Esta brillante emisión nos permitió medir con precisión el movimiento del gas en esta espiral expulsada gravitacionalmente, similar a cuentas en un collar que rodea el núcleo del protocúmulo.
«Para nuestra sorpresa, los grupos de restos de marea se unen a una cadena de 20 galaxias adicionales en colisión en las partes externas de la estructura en colapso. Esto sugiere un origen común. Por primera vez, presenciamos el inicio de una transformación de fusión en cascada. La mayoría de las 40 galaxias ricas en gas en este núcleo serán destruidas y eventualmente se transformarán en una galaxia elíptica gigante en menos de 300 millones de años, en un abrir y cerrar de ojos.
Comprendiendo cómo se forman los cúmulos de galaxias
Duncan MacIntyre y Joel Tsuchitori, dos estudiantes de pregrado de la UBC y parte del equipo, realizaron simulaciones numéricas detalladas. Estas fueron esenciales para conectar las observaciones del colapso de este protocúmulo con estudios previos de cúmulos de galaxias maduros. La sorprendente coincidencia entre los diferentes tipos de objetos, encontrados en diferentes momentos cósmicos, podría no solo demostrar la importancia de las grandes fusiones simultáneas durante la formación de galaxias masivas, sino que también podría ayudar a explicar cómo los elementos pesados (como el carbono) se calientan y transportan a través de los primeros cúmulos de galaxias.
«Si bien nuestros hallazgos ofrecen nuevos y emocionantes conocimientos sobre el rápido ensamblaje de galaxias elípticas, las diversas interacciones entre los choques de fusión, el calentamiento del gas por el crecimiento de agujeros negros supermasivos y su efecto en el combustible para la formación estelar siguen siendo grandes misterios», comenta Scott Chapman, de la Universidad de Dalhousie. «Es Tal vez sea demasiado pronto para afirmar que comprendemos por completo la «primera infancia» de las elípticas gigantes, pero hemos avanzado mucho en la vinculación de los restos de marea en los protocúmulos con el proceso de formación de las galaxias masivas ubicadas en los cúmulos de galaxias actuales.
Con información de The Astrophysical Journal
Compártelo:
Descubre más desde SKYCR.ORG: NASA, exploración espacial y noticias astronómicas
Suscríbete y recibe las últimas entradas en tu correo electrónico.
