El Nacimiento de las Galaxias: Un Viaje a los Orígenes del Universo
Una de las preguntas más importantes de la astronomía moderna es saber cuándo nacieron las primeras estrellas. Sin embargo, no se conoce bien cómo se formaron, al igual que las galaxias, durante los primeros 300 millones de años del universo.
Observaciones y Descubrimientos Recientes
Investigadores de la Universidad de Copenhague han usado las potentes lentes del telescopio espacial James Webb para capturar imágenes del nacimiento de tres de las primeras galaxias del universo, hace más de 13.000 millones de años. Se trata de la primera vez en la historia que los astrónomos observan este fenómeno y de una prueba sólida que confirma nuestras actuales teorías sobre la formación de las galaxias originales.
El James Webb es un telescopio, pero también una máquina del tiempo que gracias a sus cámaras infrarrojas puede ver lo que sucedió en el cosmos hace miles de millones de años, justo cuando el universo dejó de ser un sitio oscuro y empezó a emitir sus primeras luces.
Según un nuevo estudio, publicado por los investigadores daneses en la prestigiosa revista Science, el Webb ha podido captar imágenes de tres galaxias formándose hace entre 13.200 y 13.400 millones de años. Esto es entre 400 y 600 millones de años después del Big Bang.
"Se podría decir que éstas son las primeras imágenes 'directas' de la formación de galaxias que hemos visto nunca", afirma Kasper Heintz, autor principal y profesor adjunto de astrofísica en el Cosmic Dawn Center (DAWN) de la Universidad de Copenhague. "Mientras que el James Webb nos había mostrado anteriormente galaxias primitivas en etapas posteriores de su evolución, aquí somos testigos de su mismo nacimiento y, por tanto, de la construcción de los primeros sistemas estelares del universo".
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Tras el Big Bang, el universo estaba formado por una enorme cantidad de gas opaco de átomos de hidrógeno que poco a poco se fue uniendo para crear las primeras estrellas y galaxias. "Durante los pocos cientos de millones de años posteriores al Big Bang, se formaron las primeras estrellas, antes de que las estrellas y el gas comenzaran a fusionarse en galaxias”, explica el profesor Darach Watson de la Universidad de Copenhague y otro de los autores del estudio.
El momento en el que nacieron las galaxias se conoce como la Época de Reionización. Por aquel entonces, la energía y la luz de algunas de las primeras galaxias pudieron atravesar la nube de gas hidrógeno y es precisamente esto lo que han captado los instrumentos de espectrografía infrarroja del James Webb.
"Estas galaxias son como islas brillantes en un mar de gas opaco y neutro", explica Heintz "Sin Webb, no podríamos observar estas galaxias tan tempranas y mucho menos aprender tanto sobre su formación".
Las observaciones demuestran que el hidrógeno se estaba acumulando en las minigalaxias y alimentando nuevas estrellas bebé, tal y como predicen los modelos de formación de galaxias actuales.
El Amanecer Cósmico y las Primeras Estrellas
Tras el Big Bang, hubo un periodo durante el cual no hubo oxígeno en el universo. Fue creado por los procesos de fusión de las primeras estrellas y luego liberado cuando estas murieron. Para averiguarlo, el equipo reconstruyó los inicios de la historia de MACS1149-JD1 utilizando datos infrarrojos tomados con los telescopios espaciales Hubble y Spitzer. Así descubrieron que el brillo observado de la galaxia puede explicarse con un modelo en el que el inicio de la formación estelar comienza tan solo 250 millones de años después del comienzo del universo.
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La madurez de las estrellas en MACS1149-JD1 plantea la pregunta de cuándo surgieron las primeras galaxias de la oscuridad total, una época que los astrónomos denominan, de forma romántica, como el ‘amanecer cósmico’. Estableciendo la edad de esta lejana galaxia, el equipo ha demostrado, de forma efectiva, que hubo galaxias que existieron antes de las que podemos detectar de forma directa en la actualidad.
Richard Ellis, astrónomo senior en la UCL y coautor del artículo, concluye: “Determinar cuándo tuvo lugar el amanecer cósmico es el ‘santo grial’ de la cosmología y el estudio de formación de galaxias. ¡Con estas nuevas observaciones de MACS1149-JD1 nos acercando a la posibilidad de ser testigos directos del nacimiento de la luz de las estrellas!
El Papel de los Agujeros Negros
Según la nueva investigación, los hallazgos trastocan las teorías sobre cómo los agujeros negros dan forma al cosmos, desafiando la comprensión clásica de que se formaron después de que surgieron las primeras estrellas y galaxias.
"Estamos argumentando que los agujeros negros expulsan nubes de gas trituradas, convirtiéndolas en estrellas y acelerando enormemente el ritmo de formación estelar", dijo Silk.
El equipo de Silk predice que el universo joven tuvo dos fases. Durante la primera fase, los flujos de salida a alta velocidad de los agujeros negros aceleraron la formación de estrellas y luego, en una segunda fase, los flujos de salida se ralentizaron.
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Unos cientos de millones de años después del Big Bang, las nubes de gas colapsaron debido a tormentas magnéticas de agujeros negros supermasivos, y nuevas estrellas nacieron a un ritmo muy superior al observado miles de millones de años después en las galaxias normales, dijo Silk.
"La gran sorpresa es que había una semilla en medio de esa nube, un gran agujero negro, y eso ayudó a convertir rápidamente la parte interna de esa nube en estrellas a un ritmo mucho mayor de lo que esperábamos.
La Formación de Supergalaxias y Cúmulos
Las galaxias se suelen agrupar en cúmulos, enormes esferas compuestas por miles de millones de estos objetos, y en cuyo interior residen las galaxias más grandes del Universo. Hasta ahora, los científicos creían que estas supergalaxias se formaban a partir de galaxias más pequeñas que se iban acercando y fusionando por acción de la gravedad.
Para ello, apuntaron los radiotelescopios hacia un cúmulo embrionario situado a 10 mil millones de años luz, en cuyo interior está formándose la galaxia gigante Spiderweb (telaraña, en inglés), y descubrieron una nube de gas muy frío donde las galaxias estaban fusionándose.
La enorme nube, de 100 mil millones de veces la masa del Sol, está compuesta principalmente por moléculas de hidrógeno, el material elemental del que se originan las estrellas y las galaxias. En lugar de observar el hidrógeno directamente, lo hicieron a través del monóxido de carbono, un gas trazador más fácil de detectar.
“Es sorprendente -comenta Matthew Lehnert, segundo autor del artículo e investigador del Instituto de Astrofísica de París- lo frío que debe de estar ese gas, a unos 200 grados bajo cero.
Éste, más sensible para la observación de grandes estructuras, nos reveló un área de 70 kilopársecs (unos 200.000 años luz) de monóxido de carbono alrededor de la misma, poblada por esas galaxias vecinas más pequeñas.
Según George Miley, coautor del estudio y cuyo equipo de la Universidad de Leiden descubrió y estudió con el Telescopio Espacial Hubble este cúmulo embrionario a finales de los años 90 “Spiderweb es un asombroso laboratorio que nos permite ser testigos del nacimiento de las súper galaxias en el interior de cúmulos, las “ciudades cósmicas” del Universo”.
El Estudio de la Formación Estelar con CALIFA
Un equipo internacional ha estudiado las tasas de formación estelar en unas galaxias del rastreo CALIFA y ha encontrado sutiles diferencias entre las galaxias influidas por sus vecinas y las no perturbadas.
El proyecto CALIFA observó cerca de 600 galaxias con el espectrógrafo de campo integral PMAS, en el telescopio de 3.5m de Calar Alto, para estudiar entre muchas cosas, como la galaxias forma(ba)n estrellas, desde su centro hasta las zonas periféricas.
Los autores de este nuevo artículo basado en una submuestra CALIFA, liderados por Abdías Morales-Vargas, encuentran que las regiones de formación estelar reciente de galaxias perturbadas siguen una relación diferente entre el ritmo de formación estelar y la masa estelar, que las galaxias no perturbadas.
Además, para las galaxias perturbadas se encuentra una relación entre sus propiedades globales de formación estelar y el parámetro de perturbación, un parámetro que estima la fuerza ejercida en un punto de la galaxia por otra galaxia cercana comparada con la fuerza interna de la propia galaxia en ese punto.
En suma, las propiedades de formación estelar bien podrían depender de la acción gravitatoria ejercida por galaxias cercanas. De hecho, la diferencia que se encuentra entre las regiones de formación estelar de galaxias perturbadas frente al resto de galaxias, podría indicar que los encuentros con galaxias cercanas provocan flujos de gas hacia el centro de las galaxias, enfatiza Abdías Morales-Vargas.
Evolución Estelar y la Vía Láctea
Las estrellas nacen por azar. Se juntan fragmentos de materia de las nubes frías de gas y polvo que flotan en el espacio, las llamadas nebulosas. Estas partículas se van agregando por atracción gravitatoria hasta formar una gran masa.
Este conglomerado, por efecto de la gravedad, se contrae sobre sí mismo y como consecuencia aumenta en su centro, la densidad, presión y calor. De esta manera, los átomos se mueven cada vez más rápido y chocan unos con otros. En esas condiciones, pronto se inician reacciones de fusión nuclear. Cuando comienzan ha nacido la estrella.
Las estrellas evolucionan a medida que van agotando su masa, que es el combustible de las reacciones nucleares. Cuanto más masa tiene una estrella, más combustible tiene para alimentar su ‘motor’ y brilla más, pero vive menos tiempo.
Vivimos en una galaxia tipo disco que alberga varias componentes estelares: sendos discos fino y grueso, una barra con una estructura de maní central, un disco nuclear y un cúmulo estelar nuclear, además de un agujero negro supermasivo en su corazón.
El sol es una estrella entre 100 mil millones en la Vía Láctea, y también hay un enorme agujero negro en el medio. ¿Cuál es la conexión entre los dos?", dijo.
La Reionización Cósmica y las Galaxias Guisantes
Hace 14.000 millones de años la materia más común en el universo era el gas. Las estrellas y los grupos de estrellas nacen de nubes de gases, formando así las primeras galaxias.
Los astrónomos pensaron durante mucho tiempo que las galaxias fueron responsables de este fenómeno. Ahora, un equipo internacional de investigadores ha confirmado esta hipótesis. El artículo, publicado en Nature, abre una vía importante en la comprensión de las primeras fases de formación del universo.
Para confirmar que se produjo la reionización cósmica, era preciso demostrar que las galaxias ‘eyectan’ estos fotones, que son absorbidos con facilidad, antes de que puedan escapar.
Descubiertas en 2007, estas galaxias fueron denominadas así por su color verdoso y su forma redondeada, que asemeja la legumbre.
Este descubrimiento muestra que las galaxias de este tipo podrían explicar la reionización cósmica y, por tanto, confirmar la hipótesis más fundamentada.
Una Ventana al Origen del Universo
"Nos estamos alejando de una imagen de las galaxias como ecosistemas aislados. En esta etapa de la historia del universo, todas las galaxias están íntimamente conectadas con el medio intergaláctico, con sus filamentos y estructuras de gas en estado puro", apunta Simone Nielsen, coautora y estudiante de doctorado que también trabaja en DAWN.
Los investigadores aseguran que esta medición es la más lejana que se ha hecho hasta la fecha del gas hidrógeno frío y neutro. Pero ya han pedido tener más tiempo de observación con el telescopio espacial James Webb para poder ampliar sus resultados y entender más a fondo la primera etapa de la formación de las galaxias.
“Una de las preguntas fundamentales que siempre nos hemos hecho los humanos es: "¿De dónde venimos?", afirma Gabriel Brammer, otro de los autores del estudio. "Aquí nos acercamos un poco más la respuesta al arrojar luz sobre el momento en que se crearon algunas de las primeras estructuras del universo. Es un proceso que investigaremos más a fondo, hasta que, con suerte, seamos capaces de encajar aún más piezas del rompecabezas".
En el Universo hay unos cien mil billones de galaxias. Entre 500 y mil millones de años después de la gran explosión que dio lugar al universo, alrededor de las estrellas de las nuevas generaciones, que eran estrellas de hidrógeno con todos los demás elementos, se formaron discos de metales pesados, en los cuales poco a poco se irían formando los primeros planetas, que tenían ya los elementos necesarios para que hubiera agua, atmósferas y, potencialmente, para que fuera surgiendo la vida.
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