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Cuando los astrónomos miran en las profundidades del cielo nocturno, observan cómo era el universo hace mucho tiempo. Como la velocidad de la luz es finita, el estudio de las galaxias observables más lejanas nos permite vislumbrar miles de millones de años en el pasado, cuando el universo era muy joven y las galaxias acababan de empezar a formar estrellas. El estudio de este "universo primitivo" es una de las últimas fronteras de la astronomía y resulta esencial para construir modelos astrofísicos precisos y coherentes. Un objetivo clave de los científicos es identificar todas las galaxias de los primeros mil millones de años de historia cósmica y medir el ritmo de crecimiento de las galaxias mediante la formación de nuevas estrellas.
En las últimas décadas, se han realizado diversos esfuerzos para observar las galaxias lejanas, que se caracterizan por sus emisiones electromagnéticas fuertemente desplazadas al rojo (desplazadas hacia longitudes de onda más largas) antes de llegar a la Tierra. Hasta ahora, nuestro conocimiento de las galaxias primitivas se ha basado sobre todo en las observaciones realizadas con el telescopio espacial Hubble (HST) y los grandes telescopios terrestres, que sondean su emisión en el ultravioleta (UV). Sin embargo, recientemente, los astrónomos han comenzado a utilizar la capacidad única del telescopio ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) para estudiar galaxias lejanas en longitudes de onda submilimétricas. Esto podría ser particularmente útil para estudiar las galaxias polvorientas que no se ven en los estudios del HST debido a que el polvo absorbe la emisión UV. Dado que ALMA observa en longitudes de onda submilimétricas, puede detectar estas galaxias observando las emisiones de polvo.
En un gran programa en curso llamado REBELS (Reionization-Era Bright Emission Line Survey), los astrónomos están utilizando ALMA para observar las emisiones de 40 galaxias objetivo en el amanecer cósmico. Utilizando este conjunto de datos, han descubierto recientemente que las regiones alrededor de algunas de estas galaxias contienen más de lo que parece.
Mientras analizaba los datos observados de dos galaxias REBELS, el Dr. Yoshinobu Fudamoto, del Instituto de Investigación para la Ciencia y la Ingeniería de la Universidad de Waseda (Japón) y del Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ), se percató de la existencia de fuertes emisiones de polvo y carbono ionizado en posiciones sustancialmente alejadas de los objetivos iniciales. Para su sorpresa, ni siquiera los equipos más sensibles, como el HST, pudieron detectar ninguna emisión ultravioleta en estos lugares. Para entender estas misteriosas señales, Fudamoto y sus colegas investigaron más a fondo.
En su último artículo, publicado en Nature, presentaron un análisis exhaustivo, revelando que estas emisiones inesperadas procedían de dos galaxias previamente desconocidas situadas cerca de los dos objetivos originales de REBELS. Estas galaxias no son visibles en las longitudes de onda ultravioleta o visibles, ya que están casi completamente oscurecidas por el polvo cósmico. Una de ellas representa la galaxia oscurecida por el polvo más lejana descubierta hasta ahora.
Lo más sorprendente de este hallazgo serendípico es que las galaxias recién descubiertas, que se formaron hace más de 13.000 millones de años, no son nada extrañas si se comparan con las galaxias típicas de la misma época. "Estas nuevas galaxias se pasaron por alto no porque sean extremadamente raras, sino sólo porque están completamente oscurecidas por el polvo", explica Fudamoto. Sin embargo, no es común encontrar este tipo de galaxias "polvorientas" en el período inicial del universo (menos de mil millones de años después del Big Bang), lo que sugiere que el censo actual de la formación de galaxias tempranas es muy probablemente incompleto, y requeriría estudios más profundos y ciegos. "Es posible que hasta ahora hayamos pasado por alto hasta una de cada cinco galaxias del universo primitivo", añade Fudamoto.
Los investigadores esperan que la capacidad sin precedentes del Telescopio Espacial James Webb (JWST) y su fuerte sinergia con ALMA permitan avances significativos en este campo en los próximos años. "Completar nuestro censo de galaxias primitivas con las galaxias que actualmente faltan y que están oscurecidas por el polvo, como las que hemos encontrado esta vez, será uno de los principales objetivos de los estudios de JWST y ALMA en un futuro próximo", afirma Pascal Oesch, de la Universidad de Ginebra.
En general, este estudio constituye un paso importante para descubrir cuándo empezaron a formarse las primeras galaxias en el universo primitivo, lo que a su vez nos ayudará a entender en qué punto nos encontramos hoy.
Fuentes, créditos y referencias:
Normal, dust-obscured galaxies in the epoch of reionization, Nature (2021). DOI: 10.1038/s41586-021-03846-z
Imágenes: Un esquema de los resultados de esta investigación. ALMA reveló una galaxia hasta ahora no descubierta, ya que está enterrada en las profundidades del polvo (impresión artística en la parte superior derecha) en una región donde el telescopio espacial Hubble no podía ver nada (izquierda). Los investigadores descubrieron por casualidad la nueva galaxia oculta mientras observaban una galaxia joven típica ya conocida (impresión artística en la parte inferior derecha). Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), NASA/ESA Hubble Space Telescope
Galaxias lejanas captadas con ALMA, el telescopio espacial Hubble y el telescopio VISTA del Observatorio Europeo Austral. Los colores verde y naranja representan las radiaciones de los átomos de carbono ionizados y las partículas de polvo, respectivamente, observadas con ALMA, y el azul representa la radiación en el infrarrojo cercano observada con los telescopios espaciales VISTA y Hubble. REBELS-12 y REBELS-29 detectaron tanto la radiación en el infrarrojo cercano como la procedente de átomos de carbono ionizados y de polvo. En cambio, REBELS-12-2 y REBELS-29-2 no se han detectado en el infrarrojo cercano, lo que sugiere que estas galaxias están profundamente enterradas en el polvo. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), NASA/ESA Hubble Space Telescope, ESO, Fudamoto et al.
Los científicos descubren por casualidad dos galaxias muy cubiertas de polvo que se formaron cuando el Universo tenía sólo el 5% de su edad actual. Crédito: Universidad de Waseda