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Sondean galaxias compactas en el universo temprano

Usando el instrumento Suprime-Cam del Telescopio Subaru, un equipo de astrónomos japoneses y estadounidenses descubrió alrededor de ochenta galaxias jóvenes que ya existían unos 1.200 millones de años después del Big Bang.

Los resultados de la investigación, realizada como parte del programa COSMOS (Sondeo de Evolución Cósmica) del Telescopio Espacial Hubble (HST), sugieren que las acumulaciones de masa existentes en el universo temprano crecieron fusionándose entre sí hasta convertirse en galaxias masivas, activando enormes áreas de formación estelar. Las poderosas capacidades de sondeo del Telescopio Subaru permitieron generar una base de datos de candidatos en el universo primitivo, indispensable para este proyecto de investigación.

¿Por qué es importante estudiar las galaxias jóvenes?

En el universo actual, 13.800 millones de años después del Big Bang, existen innumerables galaxias gigantes como nuestra Vía Láctea, que contienen alrededor de 200.000 millones de estrellas en un disco de 100.000 años luz de diámetro. Sin embargo, se ha comprobado que definitivamente no había galaxias de semejante tamaño en la era que siguió inmediatamente al Big Bang.

Al parecer, las acumulaciones de masa pregalácticas se formaron unos 200 millones de años después del Big Bang. Estas masas eran nubes de gas frío, cien veces más pequeñas que las actuales galaxias gigantes, con una masa un millón de veces menor. Las primeras galaxias se formaron cuando nacieron las primeras estrellas en esas nubes de gas; a su vez, las acumulaciones de masa galácticas fueron fusionándose con sus vecinas, hasta convertirse finalmente en galaxias masivas.

A través de numerosos sondeos profundos, los astrónomos han intentado encontrar galaxias con áreas de formación estelar activa en el universo temprano. Como resultado, ahora se sabe que las galaxias más jóvenes están a más de 13.000 millones de años luz de distancia. Las vemos en una época en la que el universo tenía sólo 800 millones de años de edad, o alrededor de un 6% de su edad actual. No obstante, dado que la mayoría de las galaxias del universo temprano eran bastante pequeñas, sus detalles estructurales aún no han sido observados.

Explorando el universo joven mediante los telescopios Subaru y Hubble

El amplio campo visual del Telescopio Subaru ha sido extremadamente útil para encontrar las galaxias jóvenes, mientras que la alta resolución óptica del Hubble es necesaria para investigar los detalles de sus formas y estructuras internas. El equipo de investigadores observó un punto a unos 12.600 millones de años hacia atrás en el tiempo utilizando una estrategia doble. El primer paso fue utilizar el Telescopio Subaru en un sondeo profundo para buscar las galaxias jóvenes. En una segunda etapa, los científicos investigaron las formas de esas galaxias usando la Cámara Avanzada para Sondeos (ACS, por sus siglas en inglés) del Hubble. Este instrumento reveló que de 54 galaxias, ocho tenían una estructura doble, en la que dos galaxias parecen estar fusionándose.

Al completar esas observaciones, los investigadores comenzaron a dudar si las 46 galaxias restantes eran realmente galaxias individuales, y se preguntaron por qué tantas de estas galaxias se ven con formas alargadas en las imágenes del instrumento ACS del Hubble. Finalmente, determinaron que esas formas alargadas, junto con la correlación positiva entre elipticidad y tamaño, respaldan fuertemente la posibilidad de que dos galaxias pequeñas estén tan cerca una de otra que no puedan resolverse como dos galaxias diferentes, aun utilizando una cámara como la ACS.

En la fila de arriba se aprecian imágenes en distintas longitudes de onda de una galaxia con una estructura individual. La primera imagen desde la izquierda corresponde a la cámara ACS del Telescopio Espacial Hubble, y las otras tres al instrumento Suprime-Cam del Telescopio Subaru operando en diferentes longitudes de onda. La segunda imagen desde la izquierda, obtenida en la longitud de onda del hidrógeno neutro, muestra la distribución espacial del gas ionizado por la radiación ultravioleta de numerosas estrellas masivas. Las dos imágenes de la derecha registran directamente la radiación ultravioleta de esas propias estrellas masivas. En la fila inferior, a modo de comparación, se muestran las imágenes de una galaxia con una estructura doble. El norte está arriba y el este hacia la izquierda. Cada lado de los mosaicos mide 10 centímetros, lo que equivale a unos 85.000 años luz a una distancia de 12.600 millones de años luz. Créditos de la imagen: Ehime University.
En la fila de arriba se aprecian imágenes en distintas longitudes de onda de una galaxia con una estructura individual. La primera imagen desde la izquierda corresponde a la cámara ACS del Telescopio Espacial Hubble, y las otras tres al instrumento Suprime-Cam del Telescopio Subaru operando en diferentes longitudes de onda. La segunda imagen desde la izquierda, obtenida en la longitud de onda del hidrógeno neutro, muestra la distribución espacial del gas ionizado por la radiación ultravioleta de numerosas estrellas masivas. Las dos imágenes de la derecha registran directamente la radiación ultravioleta de esas propias estrellas masivas. En la fila inferior, a modo de comparación, se muestran las imágenes de una galaxia con una estructura doble. El norte está arriba y el este hacia la izquierda. Cada lado de los mosaicos mide 10 centímetros, lo que equivale a unos 85.000 años luz a una distancia de 12.600 millones de años luz. Créditos de la imagen: Ehime University.

Para investigar la viabilidad de la hipótesis de la cercanía entre dos galaxias, los investigadores realizaron simulaciones computacionales usando el método de Monte Carlo. Para ello, primero colocaron sobre la imagen real de la ACS dos fuentes artificiales idénticas, en lugares aleatorios y con distintas distancias angulares. Luego intentaron extraer las imágenes mediante el mismo método utilizado para procesar las imágenes reales de la ACS, y midieron sus elipticidades y tamaños.

La distribución simulada reproduce muy bien los resultados observados, es decir que la mayoría de las galaxias que fueron observadas como fuentes individuales en las imágenes del Hubble son, en realidad, dos galaxias que se fusionan. Sin embargo, las distancias entre dos galaxias en fusión son tan pequeñas que no pueden ser determinadas espacialmente, ni siquiera con la alta resolución del telescopio espacial.

Si esta idea resulta válida para las galaxias que parecen ser individuales, entonces puede suponerse que las galaxias que tienen el mayor índice de actividad son las más pequeñas. Esto es esperable dado que los tamaños más pequeños implican una menor separación entre dos galaxias que se fusionan. Si este es el caso, dichas galaxias experimentarían una actividad intensa de formación de estrellas causada por la fusión entre ambas.

Por otra parte, algunas de las galaxias más pequeñas constituyen pares moderadamente separados que se observan a lo largo de la línea de visión, o son sólo galaxias aisladas que presentan actividad de formación de estrellas. Básicamente son iguales a las galaxias más grandes.

El equipo de investigadores confirmó que la idea propuesta puede explicar, de manera consistente, la relación observada entre la actividad de formación de estrellas y el tamaño de una galaxia.

Hasta la fecha, las formas y estructuras de las pequeñas galaxias jóvenes eran investigadas utilizando la cámara ACS del Hubble. Cuando se individualizaba una fuente en las imágenes de la ACS, se la trataba como una galaxia individual y se evaluaban sus parámetros morfológicos. Esta nueva investigación sugiere que una galaxia tan pequeña podría estar formada por dos (o quizás más) galaxias que interactúan o se fusionan entre sí, ubicadas tan cerca unas de otras que no pueden distinguirse ni siquiera mediante la elevada resolución angular de la ACS.

Mirando hacia el futuro de estudiar el pasado

Las teorías actuales de formación galáctica predicen que las galaxias pequeñas del universo primitivo se convirtieron en galaxias más grandes a través de sucesivas fusiones. Dado que este campo de investigación es una de las fronteras actuales del conocimiento humano, el siguiente paso en los estudios observacionales de la formación de galaxias en el universo temprano requerirá de “supertelescopios”, como el Telescopio de Treinta Metros (TMT) o el Telescopio Espacial James Webb (JWST). En un futuro cercano estos instrumentos, actualmente en construcción, darán lugar a más descubrimientos sobre la formación y evolución de las galaxias jóvenes.

Fuentes consultadas: Telescopio Subaru

Traductora pública de inglés aficionada a la astronomía, la cosmología y las geociencias.