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25 de Mayo de 2020
Astrofísica

Un disco galáctico de no mucho después de la gran explosión

Un potente radiotelescopio ha remontado el tiempo para observar una galaxia que contenía un disco frío y rotativo 1500 millones de años después de la gran explosión. Aviva el debate sobre el cuándo y el cómo de la formación de los discos en las galaxias.

La galaxia espiral polvorienta NGC 4414. Muchas galaxias con formación de estrellas contienen discos de polvo y gas; aquí, el polvo aparece como manchas oscuras y franjas recortadas contra la luz estelar. Marcel Neeleman y sus colaboradores han observado un disco en una galaxia tal y como era solo 1500 millones de años después de la gran explosión, una época bastante anterior a la de los discos más antiguos que se habían conocido hasta ahora [The Hubble Heritage Team (STScI/AURA/NASA].

Las galaxias son inmensos sistemas ligados por la gravedad, compuestos por estrellas, polvo, gas e invisible «materia oscura». Saber cómo se formaron las galaxias y crecieron con el tiempo es esencial para poder tener una visión más general del ensamblaje de la materia en grandes estructuras: es una pieza clave de nuestro empeño por entender el universo. Se daría un paso crucial hacia esa meta si se pudiera tener una idea clara de cuándo aparecieron las estructuras discoidales en las galaxias. Marcel Neeleman, del Instituto Max Planck de Astronomía, en Heidelberg, y sus colaboradores presentan en Nature su descubrimiento de un disco, rotativo, con una masa considerable, dentro de una galaxia formadora de estrellas de solo 1500 millones de años después de la gran explosión. Precede bastante en la historia cósmica a los discos gaseosos más antiguos que se habían detectado hasta ahora.

Según nuestra concepción actual de la cosmología, las primeras estructuras a gran escala del universo fueron los «halos» esféricos de materia oscura que colapsaron como consecuencia de su propia gravedad. El gas circundante cayó en esos halos y a continuación formó estrellas y, finalmente, galaxias. Se cree que los halos y las galaxias siguieron creciendo gracias al ensamblaje jerárquico (es decir, mediante las fusiones de estructuras en otras mayores) y nuevas acreciones de gas y su conversión en estrellas. El ensamblaje jerárquico es simple y se piensa que se sabe bastante de él. Sin embargo, sigue debatiéndose mucho acerca del modo exacto en que se produce la acreción de gas y este se congrega y forma estrellas, o acerca de la relación que ello tiene con la formación a lo largo del tiempo de las estructuras físicas y dinámicas de las galaxias.

Un componente clave de este misterio es el de por qué algunas galaxias, como nuestra propia Vía Láctea, que forma estrellas, tienen estructuras físicas dominadas por discos de estrellas y de gas, mientras que otras, por lo general más viejas y tranquilas, no. La respuesta, seguramente, está íntimamente ligada a la historia del ensamblaje de cada galaxia; en concreto, a la importancia relativa de la fusión jerárquica (que puede tanto promover como destruir el crecimiento del disco, según las circunstancias) y del crecimiento por acreción de gas (entre otros procesos).

Se cree que la acreción de gas se produce de modo caliente o de modo frío. Como indican esos nombres, la diferencia principal entre esos modos está en si el gas está caliente o frío cuando cae hacia el centro de un halo de materia oscura y sobre una galaxia. Con el modo caliente de acreción los discos se forman tarde, ya que se necesita un tiempo considerable para que el gas de acreción se enfríe y se asiente en un disco. En el modo frío de acreción, el gas sigue estando frío mientras cae hacia el centro del halo; así es posible una formación rápida de los discos.

Determinar cuándo aparecieron los discos en las galaxias, y con qué frecuencia, proporcionaría importantes indicaciones sobre la manera en que se produjo el ensamblaje temprano de las galaxias. Para ello, hay que encontrar discos en galaxias cada vez más lejanas; los investigadores tiene que sondear cada vez más atrás en el tiempo, acercándose a la gran explosión. (La luz de las galaxias más lejanas tarda más en llegar a nuestros telescopios y detectores en la Tierra que la luz de galaxias más cercanas; por lo tanto, nos ofrece información sobre cómo era el universo más atrás en el tiempo). Esto requiere unos instrumentos sumamente sensibles que produzcan datos de alta resolución. Los avances modernos en la tecnología de los detectores y los telescopios y en el diseño de los instrumentos ha permitido la detección de discos de gas en galaxias de masa considerable que existieron unos 3000 millones de años después de la gran explosión.

Para extender las observaciones del gas en galaxias hasta períodos aún anteriores de la historia cósmica, Neeleman y sus colaboradores se valieron de la Gran Red Milimétrica/submilimétrica de Atacama (ALMA), uno de los radiotelescopios más potentes del mundo. Está en el desierto de Atacama, en el norte de Chile. Detectaron la luz emitida por el gas frío de una galaxia de hace unos 12.500 millones de años. Con esa luz lograron una resolución a una escala de 1,3 kiloparsecs (alrededor de una sexta parte de la distancia del Sol al centro de la Vía Láctea); así pudieron examinar la estructura y la cinemática del gas emisor con un detalle impresionante. Usaron entonces modelos analíticos simples pero robustos para mostrar que sus observaciones son congruentes con la presencia de un disco que rota rápidamente y que coincide espacialmente con las estrellas y el polvo de la galaxia.

Los resultados de Neeleman y su grupo constituyen una de las primeras pruebas observacionales de la existencia de discos de gas frío en galaxias masivas muy poco después de la gran explosión; dejan así sentado de forma directa que se podían formar discos masivos de gas 1500 millones de años antes de lo que señalaban las observaciones anteriores. La obra de estos autores desplaza apreciablemente la frontera de las observaciones en lo que se refiere al estudio detallado de las propiedades del gas mediante imágenes que ofrecen resolución espacial, hasta un momento en que el universo solo tenía alrededor de una décima parte de su edad actual.

El descubrimiento adquiere su mayor interés cuando se tienen en cuenta además los resultados de algunas simulaciones numéricas de la formación de las galaxias: según ellas, los discos deberían empezar a dominar en galaxias de masa parecida a la de la galaxia observada por el grupo de Neeleman solo cuando el universo tuviese una edad de entre 4000 y 6000 millones de años. No obstante, concuerda con lo que teóricamente se esperaría en caso de que el modo frío de acreción hubiera sido dominante antes en la historia del universo. Coincide también con simulaciones recientes, de resolución más alta, en las que los discos aparecen en épocas cósmicas más tempranas.

Una limitación de esta investigación de Needelman y su grupo, sea para acotar nuestro conocimiento teórico de la formación galáctica o sea para poner a prueba las diferentes predicciones de las simulaciones numéricas, es que en ella los autores han abordado una única galaxia. Hacen falta observaciones similares de muchas más galaxias de aquella misma época para que podamos determinar si la galaxia estudiada es representativa de la población completa de entonces o si es una rareza. Además, aunque los resultados de los autores parecen ir en contra de que el crecimiento temprano de las galaxias se produjese mediante el modo caliente de acreción, los datos no descartan explícitamente otras formas, distintas del modo frío de acreción, de transportar eficazmente gas frío hasta los centros de los halos; por ejemplo, mediante la fusión de galaxias y halos. Se necesitan más datos de observaciones para resolver esta cuestión. No obstante, los hallazgos de Neeleman y sus colaboradores apasionarán a los astrónomos. Al estudio de las etapas tempranas de la formación de galaxias le abren las puertas de una nueva época de la historia del universo.

El disco galáctico descubierto por Neeleman y sus colaboradores. Lo llaman "disco de Wolfe" [<span>ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), M. Neeleman; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello</span>].

Alfred Tily / Nature News

Artículo traducido y adaptado por Investigación y Ciencia con permiso de Nature Research Group.

Referencia: «A cold, massive, rotating disk galaxy 1.5 billion years after the Big Bang», de Marcel Neeleman et al., en Nature 581, págs. 269-272 (2020).

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