Galaxia espiral barrada tipo Vía Láctea en pleno universo primitivo

Observaciones con los telescopios James Webb y ALMA han revelado una galaxia espiral barrada masiva y extremadamente activa en el universo primitivo.

La investigación, liderada por Shuo Hang, del National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) y la Universidad de Nagoya, indica que, en comparación con las galaxias modernas, esta gigantesca galaxia presenta importantes similitudes en forma y diferencias en el movimiento del gas. El estudio se publica en la revista Nature.

En el universo primitivo, hace más de 10.000 millones de años, numerosas galaxias gigantescas formaban estrellas a un ritmo más de 100 veces superior al de la Vía Láctea. Aunque existen algunas galaxias que experimentan formación estelar a un ritmo similar incluso en el universo actual, casi todas son galaxias en colisión o fusión. Basándose en esto, los científicos asumieron que estos intensos estallidos de formación estelar en galaxias gigantescas también se deben a una importante afluencia de gas en sus centros como consecuencia de colisiones o fusiones galácticas, y que evolucionan en galaxias elípticas gigantes una vez que el gas se agota.

Las galaxias gigantescas se encuentran lejos de la Tierra y oscurecidas por enormes cantidades de polvo generado por la intensa formación estelar, lo que dificulta su observación en longitudes de onda ópticas. Hasta hace poco, su forma y el mecanismo (proceso físico) que impulsa estos estallidos de formación estelar seguían siendo incógnitas.

Sin embargo, recientes observaciones de imágenes infrarrojas con el Telescopio Espacial James Webb han descubierto galaxias gigantescas cubiertas de polvo, revelando la existencia de muchas galaxias gigantescas con una notable estructura de disco. Esto planteó una nueva pregunta: ¿Por qué galaxias gigantescas que parecen galaxias de disco ordinarias experimentan estallidos de formación estelar tan intensos?

Un equipo de investigación dirigido por Huang se centró en una galaxia gigante con una estructura espiral barrada en el universo hace 11.100 millones de años. La galaxia llamada J0107a, ubicada con un corrimiento al rojo de z=2,467, fue descubierta fortuitamente en 2014 durante la observación de la cercana galaxia en fusión VV114.

Las imágenes de infrarrojo cercano de VV114 obtenidas por el Telescopio Espacial James Webb en 2023 revelaron que J0107a es un ejemplo excepcionalmente masivo de galaxia monstruosa, con una masa diez veces mayor que la de la Vía Láctea y una tasa de formación estelar aproximadamente 300 veces mayor que la de la Vía Láctea.

Aún más sorprendente, J0107a posee una estructura espiral barrada perfecta, una de las más grandes y distintivas de cualquier galaxia en esta era cósmica. Su forma se asemeja más a las galaxias espirales barradas modernas que a cualquier otra galaxia monstruosa observada previamente.

Si bien se necesita más información sobre la cinemática del gas para explorar los factores que subyacen a la intensa formación estelar de J0107a, las observaciones espectroscópicas de una galaxia cubierta de polvo son extremadamente complejas, incluso con el Telescopio Espacial James Webb.

El equipo de investigación utilizó ALMA para observar las líneas de emisión de monóxido de carbono y átomos de carbono neutro, y descubrió que J0107a se asemeja mucho a las galaxias espirales barradas modernas, como la Vía Láctea, tanto por la forma de su estructura de barras como por la distribución y el movimiento del gas asociado. Sin embargo, el equipo también descubrió que, mientras que la proporción de gas en la estructura de barras de una galaxia moderna es inferior al 10 % de la masa total, la de J0107a es muy elevada, rondando el 50 %.

Los datos muestran que la estructura de barra de J0107a, compuesta por estrellas y gas con una masa mucho mayor que la de las galaxias modernas, agita el disco, creando un flujo de gas a una velocidad de varios cientos de kilómetros por segundo en un radio de 20.000 años luz alrededor del centro de la galaxia, equivalente a la distancia entre el centro de la Vía Láctea y el sistema solar.

Parte de este gas cae en el centro de la galaxia, lo que provoca una intensa formación estelar. Ningún estudio teórico previo sobre la formación de galaxias predijo la existencia de una galaxia gigantesca con una estructura de barra como esta.

Esta es la primera observación directa exitosa de un estallido de formación estelar inducido por la entrada de gas desde una estructura de barra en el universo primitivo. Las teorías convencionales sobre la formación y evolución de galaxias gigantescas asumen que la intensa formación estelar se produce debido a colisiones y fusiones galácticas, o a la inestabilidad gravitacional de sus discos, convirtiéndolas posteriormente en galaxias elípticas a lo largo de cientos de millones de años.

Mientras tanto, se supone que J0107a desarrolló una forma similar a la de una galaxia espiral barrada moderna, conservando al mismo tiempo las propiedades físicas extremas de una galaxia gigantesca, a lo largo de cientos de millones de años en el universo primitivo, tan solo 2.600 millones de años después del Big Bang.