En el Universo temprano las galaxias crecían “de adentro hacia afuera”

Los astrónomos utilizaron el Telescopio Espacial James Webb (JWST) para observar el crecimiento “de adentro hacia afuera” de una galaxia en el universo temprano, apenas 700 millones de años después del Big Bang.

La galaxia JADES-GS+53.18343−27.79097, que es la analizada, es cien veces más pequeña que nuestro hogar, la Vía Láctea*, pero es sorprendentemente madura para ser una de las primeras etapas del universo. Como una gran ciudad, la galaxia observada tiene una densa colección de estrellas en su núcleo, pero se vuelve menos densa en los “suburbios” galácticos. Y como una gran ciudad, está empezando a expandirse, con una formación estelar que se acelera en la parte exterior.

Se trata de la detección más temprana jamás realizada de un crecimiento galáctico desde el interior hacia fuera. Hasta que el Webb comenzó a funcionar, no había sido posible estudiar el crecimiento de las galaxias en una etapa tan temprana de la historia del universo. Aunque las imágenes obtenidas con el Webb representan una instantánea en el tiempo, los investigadores, de la Universidad de Cambridge, afirman que estudiar galaxias similares podría ayudarnos a entender cómo pasan de ser nubes de gas a las estructuras complejas que observamos en la actualidad. Los resultados de los científicos fueron publicados en la revista Nature Astronomy.

“La cuestión de cómo evolucionan las galaxias a lo largo del tiempo cósmico es importante en Astrofísica”, dijo el coautor principal, Dr. Sandro Tacchella, del Laboratorio Cavendish de Cambridge. “Hemos tenido muchos datos excelentes de los últimos diez millones de años y de las galaxias en nuestro rincón del universo, pero ahora con Webb, podemos obtener datos observacionales de miles de millones de años atrás en el tiempo, investigando los primeros mil millones de años de historia cósmica, lo que abre todo tipo de nuevos interrogantes".

Las galaxias que observamos en la actualidad se desarrollaron a través de dos mecanismos: atraen o acumulan gas para formar nuevas estrellas, o bien crecen fusionándose con galaxias más pequeñas. Si en el universo primitivo funcionaban mecanismos diferentes es una pregunta abierta que los astrónomos esperan resolver con el Webb.

“Se espera que las galaxias comiencen siendo pequeñas, a medida que las nubes de gas colapsan bajo su propia gravedad, formando núcleos muy densos de estrellas y posiblemente agujeros negros”, explicó Tacchella. “A medida que la galaxia crece y aumenta la formación de estrellas, es como un patinador artístico que gira: a medida que el patinador retrae sus brazos, estos ganan impulso y giran cada vez más rápido. Las galaxias son algo similar, con gas que va acumulándose con el paso del tiempo, proviene de distancias cada vez mayores y hace que la galaxia gire hacia arriba, por lo que a menudo forman formas galaxias espirales o de disco”.

Esta galaxia, observada en el marco de la colaboración JADES (JWST Advanced Extragalactic Survey), en la información que llega a los instrumentos de Webb, aunque esto ocurrió eras atrás, está formando estrellas de forma activa en el universo primitivo. Tiene un núcleo muy denso que, a pesar de su edad relativamente joven, tiene una densidad similar a la de las galaxias elípticas masivas actuales, que tienen 1000 veces más estrellas. La mayor parte de la formación estelar se produce más lejos del núcleo, con un «cúmulo» de formación estelar aún más alejado.

La actividad de formación estelar aumenta considerablemente en las afueras, a medida que la formación estelar se extiende y la galaxia crece en tamaño. Este tipo de crecimiento se había predicho con modelos teóricos, pero con el Webb ahora es posible observarlo.

“Una de las muchas razones por las que el Webb es tan transformador para nosotros como astrónomos es que ahora podemos observar lo que ya se había predicho mediante modelos”, indicó el coautor William Baker, estudiante de doctorado en Cavendish. **“Es como poder revisar la tarea” que hiciste con el aporte de última generación que porta el James Webb Space Telescope.

Utilizando Webb, los investigadores extrajeron información de la luz emitida por la galaxia en diferentes longitudes de onda, que luego utilizaron para estimar el número de estrellas más jóvenes ante estrellas más antiguas, lo que se convierte en una estimación de la masa estelar y la tasa de formación estelar.

Debido a que la galaxia es tan compacta, las imágenes individuales de la galaxia fueron “modeladas hacia adelante” para tener en cuenta los efectos instrumentales. Al usar modelos de población estelar que incluyen prescripciones para emisión de gas y absorción de polvo, los investigadores encontraron estrellas más antiguas en el núcleo, mientras que el componente del disco circundante está experimentando una formación estelar muy activa. Esta galaxia duplica su masa estelar en las afueras aproximadamente cada 10 millones de años, y estamos hablando de una velocidad muy elevada, si tenemos en cuenta que la Vía Láctea duplica su masa sólo cada 10 mil millones de años.

La densidad del núcleo galáctico, así como la alta tasa de formación de estrellas, sugieren que esta joven galaxia es rica en el gas que necesita para formar nuevas estrellas, lo que puede reflejar condiciones diferentes en el universo temprano.

“Por supuesto, se trata de una sola galaxia, por lo que necesitamos saber qué hacían otras galaxias en ese momento”, expresó Tacchella. “¿Todas las galaxias eran como ésta? Ahora estamos analizando datos similares de otras galaxias. Al observar diferentes galaxias a lo largo del tiempo cósmico, tal vez podamos reconstruir el ciclo de crecimiento y demostrar cómo crecen las galaxias hasta alcanzar su tamaño final actual”.

Importante

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• El paper A core in a star-forming disc as evidence of inside-out growth in the early Universe, fue publicado en Nature Astronomy. Los autores son: William M. Baker, Sandro Tacchella, Benjamin D. Johnson, Erica Nelson, Katherine A. Suess, Francesco D’Eugenio, Mirko Curti, Anna de Graaff, Zhiyuan Ji, Roberto Maiolino, Brant Robertson, Jan Scholtz, Stacey Alberts, Santiago Arribas, Kristan Boyett, Andrew J. Bunker, Stefano Carniani, Stephane Charlot, Zuyi Chen, Jacopo Chevallard, Emma Curtis-Lake, A. Lola Danhaive, Christa DeCoursey, Eiichi Egami, Daniel J. Eisenstein, Ryan Endsley, Ryan Hausen, Jakob M. Helton, Nimisha Kumari, Tobias J. Looser, Michael V. Maseda, Dávid Puskás, Marcia Rieke, Lester Sandles, Fengwu Sun, Hannah Übler, Christina C. Williams, Christopher N. A. Willmer & Joris Witstok.

• Baker, W.M., Tacchella, S., Johnson, B.D. et al. A core in a star-forming disc as evidence of inside-out growth in the early Universe. Nat Astron (2024). https://doi.org/10.1038/s41550-024-02384-8