Actualmente, los astrónomos disfrutan de un fructífero período de descubrimientos, investigando los numerosos misterios del universo primitivo. El exitoso lanzamiento del Telescopio Espacial James Webb (JWST), sucesor del Telescopio Espacial Hubble de la NASA, ha superado el límite de lo que podemos ver.
Las observaciones están entrando ahora en los primeros 500 millones de años después del Big Bang, cuando el universo tenía menos del 5% de su edad actual. Para los humanos, este tiempo colocaría al universo firmemente en la etapa de niños pequeños.
Sin embargo, las galaxias que estamos observando ciertamente no son infantiles:nuevas observaciones revelan galaxias más masivas y maduras de lo que se esperaba anteriormente para tiempos tan tempranos, lo que ayuda a reescribir nuestra comprensión de la formación y evolución de las galaxias.
Nuestro equipo de investigación internacional realizó recientemente observaciones detalladas sin precedentes de una de las galaxias más antiguas conocidas, denominada Gz9p3, y ahora publicada en Nature Astronomy. .
Su nombre proviene de la colaboración Glass (el nombre de nuestro equipo de investigación internacional) y del hecho de que la galaxia tiene un corrimiento al rojo de z=9,3, donde el corrimiento al rojo es una forma de describir la distancia a un objeto, de ahí G y z9p3.
Hace apenas un par de años, Gz9p3 apareció como un único punto de luz a través del Telescopio Espacial Hubble. Pero utilizando el telescopio espacial James Webb pudimos observar este objeto tal como era 510 millones de años después del Big Bang, hace unos 13 mil millones de años.
Descubrimos que Gz9p3 era mucho más masivo y maduro de lo esperado para un universo tan joven, que ya contiene varios miles de millones de estrellas.
Con diferencia, el objeto más masivo confirmado de esta época, se calculó que era 10 veces más masivo que cualquier otra galaxia encontrada en las primeras etapas del universo.
Combinados, estos resultados sugieren que para que la galaxia alcance este tamaño, las estrellas deben haberse desarrollado mucho más rápido y más eficientemente de lo que pensábamos al principio.
La fusión de galaxias más distante del universo temprano
Este Gz9p3 no sólo es masivo, sino que su compleja forma lo identifica inmediatamente como una de las primeras fusiones de galaxias jamás presenciadas.
Las imágenes JWST de la galaxia muestran una morfología típicamente asociada con dos galaxias que interactúan. Y la fusión no ha terminado porque todavía vemos dos componentes.
Cuando dos objetos masivos se unen de esta manera, efectivamente desechan parte de la materia en el proceso. Entonces, este asunto descartado sugiere que lo que observamos es una de las fusiones más distantes jamás vistas.
A continuación, nuestro estudio profundizó para describir la población de estrellas que forman las galaxias en fusión. Usando JWST, pudimos examinar el espectro de la galaxia, dividiendo la luz de la misma manera que un prisma divide la luz blanca en un arco iris.
Cuando se utilizan únicamente imágenes, la mayoría de los estudios de estos objetos muy distantes muestran solo estrellas muy jóvenes porque las estrellas más jóvenes son más brillantes y, por lo tanto, su luz domina los datos de las imágenes.
Por ejemplo, una población joven y brillante generada por la fusión de galaxias, de menos de unos pocos millones de años, eclipsa a una población mayor que ya tiene más de 100 millones de años.
Utilizando la técnica de espectroscopia, podemos producir observaciones tan detalladas que se pueden distinguir las dos poblaciones.
Nuevos modelos del universo primitivo
No se preveía una población tan madura y de edad avanzada, teniendo en cuenta lo tempranas que tendrían que haberse formado las estrellas para haber envejecido lo suficiente en esta época cósmica. La espectroscopia es tan detallada que podemos ver las características sutiles de las estrellas antiguas que nos dicen que hay más allí de lo que crees.
Los elementos específicos detectados en el espectro (incluidos el silicio, el carbono y el hierro) revelan que esta población más antigua debe existir para enriquecer la galaxia con una gran cantidad de sustancias químicas.
No es sólo el tamaño de las galaxias lo que sorprende, sino también la velocidad con la que crecieron hasta alcanzar un estado químicamente maduro.
Estas observaciones proporcionan evidencia de una acumulación rápida y eficiente de estrellas y metales inmediatamente después del Big Bang, ligada a fusiones de galaxias en curso, lo que demuestra que galaxias masivas con varios miles de millones de estrellas existieron antes de lo esperado.
Las galaxias aisladas construyen su población de estrellas in situ a partir de sus reservas finitas de gas; sin embargo, esta puede ser una forma lenta de crecimiento de las galaxias.
Las interacciones entre galaxias pueden atraer nuevos flujos de gas prístino, proporcionando combustible para una rápida formación estelar, y las fusiones proporcionan un canal aún más acelerado para la acumulación y el crecimiento de masa.
Todas las galaxias más grandes de nuestro universo moderno tienen una historia de fusiones, incluida nuestra propia Vía Láctea, que ha crecido hasta su tamaño actual a través de sucesivas fusiones con galaxias más pequeñas.
Estas observaciones de Gz9p3 muestran que las galaxias pudieron acumular masa rápidamente en el universo temprano mediante fusiones, con eficiencias de formación de estrellas superiores a las que esperábamos.
Esta y otras observaciones realizadas con el JWST están provocando que los astrofísicos ajusten sus modelos de los primeros años del universo.
Nuestra cosmología no está necesariamente equivocada, pero nuestra comprensión de la rapidez con la que se formaron las galaxias probablemente sí lo esté, porque son más masivas de lo que jamás creímos que fuera posible.
Estos nuevos resultados llegan en el momento oportuno a medida que nos acercamos a la marca de dos años para las observaciones científicas realizadas con el JWST.
A medida que crece el número total de galaxias observadas, los astrónomos que estudian el universo temprano están pasando de la fase de descubrimiento a un período en el que tenemos muestras lo suficientemente grandes como para comenzar a construir y refinar nuevos modelos.
Nunca ha habido un momento más apasionante para dar sentido a los misterios del universo primitivo.
Más información: Kristan Boyett et al, Una galaxia masiva que interactúa 510 millones de años después del Big Bang, Nature Astronomy (2024). DOI:10.1038/s41550-024-02218-7
Proporcionado por la Universidad de Melbourne
