Revelan impactantes datos sobre la formación de galaxias gigantes después del Big Bang

El hallazgo de galaxias gigantes plenamente formadas 1.400 millones de años después del Big Bang ha llevado a científicos a replantear los modelos sobre la formación de las grandes estructuras cósmicas.

Un reciente estudio encabezado por Nikolaus Sulzenauer y Axel Weiß del Instituto Max Planck de Radioastronomía (MPIfR), publicado en The Astrophysical Journal, arroja nuevas pistas al analizar en profundidad el protocúmulo SPT2349-56, detectado en el hemisferio sur y considerado uno de los agregados galácticos más vigorosos jamás observados. La investigación aporta evidencia sobre la rapidez y la escala de estos procesos, y abre nuevas preguntas sobre la dinámica y evolución del universo primitivo.

Uno de los aspectos más asombrosos del trabajo es la reconstrucción del origen común de las galaxias que integran SPT2349-56. Según Sulzenauer y Weiss, en el centro de este protocúmulo se encontró un conjunto de cuatro galaxias masivas en estrechísima interacción que producen estrellas a un ritmo sin precedentes: una estrella nueva cada 40 minutos, una tasa extraordinariamente superior a la de la Vía Láctea, donde el proceso equivale apenas a tres o cuatro estrellas anuales.

Este hallazgo, posible gracias a las capacidades del Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), revela que la acumulación de masa y la formación estelar intensa pueden suceder en períodos sorprendentemente breves.

El comportamiento del material circundante es fundamental para comprender este fenómeno. Las observaciones detectaron que estos sistemas jóvenes, localizados en la constelación del Fénix, presentan enormes brazos de marea que alcanzan velocidades de 300 kilómetros por segundo y abarcan áreas mayores que la propia Vía Láctea.

El brillo en longitudes de onda submilimétricas es tal que, según palabras de Sulzenauer, “esta brillante emisión 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”.

El resultado es un “espectáculo cósmico de fuegos artificiales”, en el que la compresión del gas inicial genera una luminosidad sobresaliente debida, sobre todo, a los átomos de carbono ionizado excitados por ondas de choque.

Qué dicen los expertos

Los investigadores destacan la conexión entre estos brazos y el destino de la estructura: más de 40 galaxias ricas en gas, incluidas 20 adicionales en las zonas externas, se hallan en pleno proceso de colisión y fusión acelerada. De acuerdo con el equipo, estos colosales episodios de integración galáctica permitirán que “la mayoría será destruida y finalmente se transformará en una galaxia elíptica gigante en menos de 300 millones de años, en un abrir y cerrar de ojos”.

La velocidad del proceso –que transcurre en una fracción mínima de la edad del cosmos, apenas el 10 % de la edad actual– desafía las hipótesis tradicionales según las cuales las galaxias masivas habrían crecido lentamente por acumulaciones prolongadas.

Las simulaciones numéricas realizadas por Duncan MacIntyre y Joel Tsuchitori de la Universidad de Columbia Británica (UBC) permitieron a los autores comparar su objeto de estudio con cúmulos maduros muy posteriores.

Estas simulaciones confirman que los distintos tipos de estructuras, halladas en distintas épocas del universo, pueden vincularse a través de procesos jerárquicos de fusión, pero que existen mecanismos distintos y más rápidos para la generación de ciertas galaxias gigantes. Además, el trabajo sugiere que esas grandes fusiones influyen en la formación y distribución de elementos pesados como el carbono, al calentarlos y transportarlos en los primeros cúmulos.

El estudio hace énfasis en los desafíos conceptuales que estos hallazgos generan para la cosmología. De acuerdo con Axel Weiß, “SPT2349-56 ostenta el récord de la fábrica estelar más vigorosa”.

Los resultados revelan también la importancia de observaciones precisas del polvo y del gas fríos, pues es en esos compuestos donde se desencadena la efervescencia formadora de estrellas en estos ambientes tempranos. Según relata Sulzenauer en la revista, la secuencia comienza con la rápida desacoplación de las regiones más densas respecto de la expansión cósmica, lo que propicia el ensamblaje de protocúmulos enteros y el inicio de un lapso de brillante actividad estelar y fusiones sucesivas.

A partir de este modelo, se deduce que la coalescencia de grandes agregados galácticos puede ejecutarse en solo unos cientos de millones de años, una comparación directa con el tiempo que le toma al Sol orbitar una vez la Vía Láctea. Este ritmo vertiginoso replantea la hipótesis tradicional de un crecimiento serial y pausado, postulando un colapso gravitatorio de estructuras primigenias y su rápida conversión en cúmulos dominados por una galaxia elíptica central.

Ryley Hill, de la UBC, resalta las diferencias respecto al ritmo de formación estelar en estos ambientes tempranos: “En el centro, encontramos cuatro galaxias en estrecha interacción que forman una estrella cada 40 minutos”, lo que contrasta notablemente con las galaxias más evolucionadas y tranquilas del universo actual. La radiación intensa, observada en el infrarrojo lejano y en el rango milimétrico, proporciona así “un faro” que guía a instrumentos como ALMA y el Experimento Atacama Pathfinder (APEX) en la reconstrucción de la historia galáctica.

El análisis no se detiene en el ensamblaje estructural. Según Scott Chapman de la Universidad de Dalhousie, aunque estos resultados ofrecen perspectivas renovadas sobre el ensamblaje rápido de galaxias elípticas y la importancia de los escombros de marea, persisten incógnitas sustantivas, en especial sobre “las diversas interacciones entre los choques de fusión, el calentamiento del gas durante el crecimiento de agujeros negros supermasivos y su efecto en el combustible para la formación estelar”.

La complejidad salta a la vista: múltiples mecanismos actúan simultáneamente y el impacto de la actividad de los agujeros negros, así como las discontinuidades en el suministro de gas, siguen sin entenderse del todo.

Otra cuestión vital reside en cómo los choques y fusiones simultáneos modifican las condiciones necesarias para que la materia prima –el gas frío– se transforme finalmente en nuevas generaciones estelares. La comprensión de esas interacciones es clave para acercarse a un panorama integral sobre el origen de las galaxias más masivas y el papel que jugaron los cúmulos primigenios en el desarrollo posterior del cosmos observable.

El equipo concluye que este tipo de investigaciones estrechan la brecha entre los restos de esas conglomeraciones tempranas y los cúmulos maduros del universo cercano, al comprobar que muchos de los procesos decisivos ocurrieron cuando el universo tenía apenas una décima parte de su edad actual. El trabajo demuestra la riqueza de información disponible gracias al estudio detallado de colisiones galácticas en los albores del universo y la relevancia de instrumentos capaces de detectar emisiones en bandas hasta ahora poco exploradas.

Los experimentos futuros podrán precisar cuánto influyeron estas fusiones rápidas en el reparto de elementos pesados y en el establecimiento de la diversidad galáctica que se observa en el presente, aunque como advierte el propio Chapman: “Quizás sea demasiado pronto para afirmar que comprendemos por completo la ‘infancia temprana’ 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 galaxias masivas ubicadas en los cúmulos de galaxias actuales.”