Galaxias jóvenes maduran más rápido de lo esperado, revela estudio con telescopios espaciales

La investigación, liderada por Andreas Faisst, científico del Centro de Astronomía IPAC del Instituto de Tecnología de California (Caltech), ha proporcionado la mirada más detallada hasta la fecha de galaxias distantes en el apogeo de su juventud, un período activo en el que estos cuerpos celestes producían fervientemente nuevas estrellas.

El estudio, parte del proyecto ALPINE-CRISTAL-JWST, se centró en 18 galaxias ubicadas a 12.500 millones de años luz de distancia. Estas fueron fotografiadas a lo largo de ocho años utilizando tres potentes telescopios: el Telescopio Espacial Hubble y el Telescopio Espacial James Webb (JWST) de la NASA, junto con el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) en Chile.

"Con esta muestra, estamos en una posición única para estudiar la evolución de las galaxias durante una época clave en el universo que ha sido difícil de observar hasta ahora", explicó Faisst, según la fuente consultada. "Gracias a estos excepcionales telescopios, hemos resuelto espacialmente estas galaxias y podemos observar las etapas de formación estelar mientras ocurrían y sus propiedades químicas cuando nuestro universo tenía menos de mil millones de años".

Uno de los hallazgos más sorprendentes del estudio es que estas galaxias están madurando más rápidamente de lo que los investigadores creían previamente. Las galaxias están más enriquecidas químicamente de lo esperado, lo que significa que han producido más elementos pesados, en particular carbono y oxígeno, de lo que se pensaba posible durante esta temprana edad del cosmos.

"¿Cómo se forman los metales en menos de mil millones de años? Fue una sorpresa ver galaxias tan químicamente maduras", señaló Faisst. "Es como ver niños de 2 años actuando como adolescentes".

A medida que las galaxias evolucionan, bolsas de gas dentro de ellas se condensan y se encienden para formar estrellas. Las nuevas estrellas producen elementos pesados como el carbono, que luego se convierten en bloques de construcción para la siguiente generación de estrellas. En última instancia, estos elementos pesados (denominados metales en astronomía) son necesarios para formar sistemas planetarios e incluso humanos, en el caso de nuestro propio sistema solar.

Los datos también muestran que los agujeros negros supermasivos dentro de casi la mitad de estas galaxias están acumulando activamente material, o "alimentándose", lo que implica que los agujeros negros están creciendo rápidamente.

En una línea similar, resultados previos de un estudio ALPINE más amplio encontraron que muchas de estas galaxias jóvenes exhiben discos en rotación, una señal de que las estructuras físicas de las galaxias (similares en apariencia a nuestra propia Vía Láctea espiral) se habían desarrollado antes de lo previsto.

"Ahora, con este nuevo estudio, podemos mostrar que algunas de estas galaxias estaban evolucionadas tanto estructural como químicamente", afirmó Faisst.

Además de las propias galaxias, el nuevo estudio encontró que su gas circundante —el llamado medio circungaláctico— también estaba enriquecido químicamente. "Las galaxias muestran gradientes muy planos en sus abundancias de metales, que se extienden a más de 30.000 años luz", señaló el coautor Wuji Wang, un postdoctorado en IPAC que trabaja con Faisst.

El estudio ALPINE-CRISTAL-JWST es el primero en resolver espacialmente galaxias tan lejanas como a 12.500 millones de años luz y fotografiarlas en múltiples longitudes de onda. Las imágenes espacialmente resueltas permiten a los astrónomos señalar regiones de gas, polvo y metales dentro de las galaxias y comenzar a deducir exactamente cómo se fabricaban las estrellas y cómo las galaxias se enriquecían químicamente para eventualmente volverse similares a nuestra Vía Láctea, con sistemas planetarios como el nuestro.

La cobertura de múltiples longitudes de onda es importante porque cada componente de una galaxia (estrellas, gas, polvo) emite luz en diferentes longitudes de onda, y observar todos estos componentes simultáneamente permite a los investigadores entender una galaxia como un todo.

En el futuro, el equipo planea estudiar el crecimiento y el enriquecimiento metálico de estas galaxias con más detalle utilizando simulaciones cosmológicas, incluidas las creadas por Phil Hopkins, profesor de Astrofísica Teórica Ira S. Bowen de Caltech.

"La combinación de observaciones y simulaciones proporciona una sinergia poderosa para comprender los detalles de la formación estelar y los mecanismos de producción de polvo y metales", dijo Faisst. "El conocimiento de estos nos ayudará finalmente a comprender la formación de las primeras estrellas y planetas y cómo nuestra propia Vía Láctea llegó a existir".

El estudio se titula "The ALPINE-CRISTAL-JWST Survey: JWST/IFU Optical Observations for 18 Main-Sequence Galaxies at z=4-6". Otros autores de Caltech incluyen al postdoctorado Yu-Heng Lin, al astrónomo del Observatorio Óptico de Caltech Lin Yan y al estudiante de posgrado Lunjun (Simon) Liu. Un artículo complementario, dirigido por Seiji Fujimoto de la Universidad de Toronto, fue enviado a The Astrophysical Journal y actualmente está disponible en el servidor de preimpresión arXiv.