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Las primeras galaxias masivas -las que se formaron en los 3.000 millones de años que siguieron al Big Bang- deberían contener grandes cantidades de gas hidrógeno frío, el combustible necesario para crear estrellas. Pero los científicos que observan el universo primitivo con el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) y el telescopio espacial Hubble han detectado algo extraño: media docena de galaxias masivas primitivas que se quedaron sin combustible. Los resultados de la investigación se publicaron el 22 de septiembre en Nature.
Conocidas como galaxias "apagadas" -o galaxias que han interrumpido la formación de estrellas-, las seis galaxias de alto desplazamiento al rojo que fueron seleccionadas para su observación en el estudio REQUIEM no concuerdan con lo que los astrónomos esperan del universo primitivo.
"Las galaxias más masivas del universo vivieron de forma rápida y furiosa, creando sus estrellas en un periodo de tiempo extraordinariamente corto. El gas, el combustible de la formación estelar, debería ser abundante en estos primeros tiempos del universo", afirma Kate Whitaker, autora principal del estudio y profesora adjunta de astronomía en la Universidad de Massachusetts, Amherst. "Originalmente creíamos que estas galaxias apagadas pisaban el freno apenas unos miles de millones de años después del Big Bang. En nuestra nueva investigación, hemos llegado a la conclusión de que las galaxias primitivas no pisaron realmente los frenos, sino que estaban funcionando en vacío."
Para entender mejor cómo se formaron y murieron las galaxias, el equipo las observó con el Hubble, que reveló detalles sobre las estrellas que residían en las galaxias. Las observaciones simultáneas con ALMA revelaron la emisión del continuo de las galaxias -un trazador de polvo- en longitudes de onda milimétricas, lo que permitió al equipo inferir la cantidad de gas en las galaxias. El uso de los dos telescopios está cuidadosamente diseñado, ya que el propósito de REQUIEM es utilizar las fuertes lentes gravitacionales como telescopio natural para observar galaxias inactivas con mayor resolución espacial. Esto, a su vez, proporciona a los científicos una visión clara de los tejemanejes internos de las galaxias, una tarea a menudo imposible con los que funcionan en vacío.
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| Esta imagen compuesta del cúmulo de galaxias MACSJ 0138 muestra datos del Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) y del Telescopio Espacial Hubble de la NASA, según lo observado por REsolving QUIEscent Magnified galaxies at high redshift, o el estudio REQUIEM. Las primeras galaxias masivas estudiadas por REQUIEM resultaron carecer de gas hidrógeno frío, el combustible necesario para formar estrellas. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/S. Dagnello (NRAO), STScI, K. Whitaker et al |
"Si una galaxia no produce muchas estrellas nuevas, se desvanece muy rápidamente, por lo que es difícil o imposible observarla en detalle con cualquier telescopio individual. REQUIEM resuelve este problema estudiando las galaxias que tienen lentes gravitacionales, lo que significa que su luz se estira y se magnifica cuando se dobla y deforma alrededor de otras galaxias mucho más cercanas a la Vía Láctea", explica Justin Spilker, coautor del nuevo estudio y becario postdoctoral del Hubble de la NASA en la Universidad de Texas en Austin. "De este modo, las lentes gravitacionales, combinadas con el poder de resolución y la sensibilidad del Hubble y ALMA, actúan como un telescopio natural y hacen que estas galaxias moribundas parezcan más grandes y brillantes de lo que son en realidad, permitiéndonos ver lo que ocurre y lo que no".
Las nuevas observaciones mostraron que el cese de la formación estelar en las seis galaxias objetivo no fue causado por una repentina ineficiencia en la conversión de gas frío en estrellas. Por el contrario, fue el resultado del agotamiento o la eliminación de los depósitos de gas en las galaxias. "Todavía no entendemos por qué ocurre esto, pero las posibles explicaciones podrían ser que, o bien el suministro de gas primario que alimenta la galaxia se ha cortado, o tal vez un agujero negro supermasivo está inyectando energía que mantiene el gas en la galaxia caliente", dijo Christina Williams, astrónoma de la Universidad de Arizona y coautora de la investigación. "Esencialmente, esto significa que las galaxias son incapaces de rellenar el depósito de combustible y, por tanto, de volver a poner en marcha el motor de la producción de estrellas".
El estudio también representa una serie de importantes primicias en la medición de las primeras galaxias masivas, sintetizando información que guiará los futuros estudios del universo temprano durante años. "Estas son las primeras mediciones del continuo de polvo frío de galaxias inactivas distantes y, de hecho, las primeras mediciones de este tipo fuera del universo local", dijo Whitaker, añadiendo que el nuevo estudio ha permitido a los científicos ver cuánto gas tienen las galaxias muertas individuales. "Hemos podido sondear el combustible de la formación estelar en estas primeras galaxias masivas con la suficiente profundidad como para realizar las primeras mediciones de la lectura del depósito de gas, lo que nos da un punto de vista críticamente perdido de las propiedades del gas frío de estas galaxias".
Aunque el equipo sabe ahora que estas galaxias se están quedando vacías y que algo les impide rellenar el depósito y formar nuevas estrellas, el estudio representa solo el primero de una serie de indagaciones sobre lo que hizo que las primeras galaxias masivas funcionaran, o no. "Todavía tenemos mucho que aprender sobre por qué las galaxias más masivas se formaron tan temprano en el universo y por qué cerraron su formación estelar cuando tenían tanto gas frío a su disposición", dijo Whitaker. "El mero hecho de que estas bestias masivas del cosmos formaran 100.000 millones de estrellas en un plazo de unos mil millones de años y que de repente cerraran su formación estelar es un misterio que a todos nos encantaría resolver, y REQUIEM ha proporcionado la primera pista".
Fuentes, créditos y referencias:
“Exhausted gas reservoirs drive massive galaxy quenching in the early
universe” by Katherine E. Whitaker, Christina C. Williams, Lamiya Mowla,
Justin S. Spilker, Sune Toft, Desika Narayanan, Alexandra Pope,
Georgios E. Magdis, Pieter G. van Dokkum, Mohammad Akhshik, Rachel
Bezanson, Gabriel B. Brammer, Joel Leja, Allison Man, Erica J. Nelson,
Johan Richard, Camilla Pacifici, Keren Sharon & Francesco Valentino,
22 September 2021, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-021-03806-7 , www.nature.com/articles/s41586-021-03806-7
Imagen: Esta imagen compuesta del cúmulo de galaxias MACSJ 0138 muestra datos del Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) y del telescopio espacial Hubble de la NASA. La sección ampliada muestra un punto brillante de color naranja/rojo, que traza el polvo frío observado en radio con ALMA. Este polvo frío ayuda a los científicos a entender, por inferencia, la cantidad de gas hidrógeno frío -requerido para la formación de estrellas- presente en las galaxias del cúmulo. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/S. Dagnello (NRAO), STScI, K. Whitaker et al