Estas estructuras, consideradas durante mucho tiempo principalmente como el producto de fusiones galácticas tardías en la historia cósmica, podrían formarse también directamente en el Universo lejano. Su forma esférica resultaría de una intensa formación de estrellas inducida por un proceso dinámico que combina la acreción de gas frío y las interacciones galácticas.
Figura 1 - Ejemplos de imágenes capturadas con el JWST, procedentes de la muestra de galaxias analizada en este estudio.
Las imágenes en color se han reconstruido combinando tres filtros: F444W (rojo), F227W (verde) y F150W (azul). La región delimitada por líneas discontinuas cian corresponde al mejor ajuste de los perfiles de brillo superficial de la emisión submilimétrica. La barra blanca en la parte inferior de las viñetas indica la escala, mientras que el nombre de la fuente y el corrimiento al rojo (z) de las galaxias se mencionan en la parte superior de cada viñeta.
Crédito: Tan et al. 2024
Estos descubrimientos representan un avance importante en nuestra comprensión de la evolución de las galaxias, impactando los modelos actuales que también se beneficiarán de observaciones de alta resolución gracias a los telescopios de última generación (JWST, Euclid, etc.).
Esta investigación se ha presentado en un artículo titulado "In situ spheroid formation in distant submillimetre-bright Galaxies", publicado en la revista Nature.
Límites técnicos y observacionales finalmente superados
Las galaxias del Universo se dividen en dos grandes categorías morfológicas. Por un lado, las galaxias espirales, en forma de disco, como nuestra Vía Láctea. Son jóvenes, ricas en gas y continúan formando estrellas. Por otro lado, las galaxias esferoidales, que incluyen las galaxias elípticas y los bulbos de las galaxias espirales. Están desprovistas de gas, compuestas por estrellas muy antiguas y prácticamente no forman estrellas; están como "muertas". Si la formación de las galaxias espirales quizás se comprende mejor, la de las galaxias esferoidales seguía siendo un misterio hasta ahora, a pesar de la existencia de varias teorías, que seguían limitadas por nuestros medios observacionales y técnicos anteriores.
Para comprender la formación de estos esferoides, hay que remontarse al nacimiento de las estrellas que los componen, hasta la era del "Mediodía cósmico", cuando el Universo tenía entre 1,6 y 4,3 mil millones de años. En esa época, muchas galaxias formaban activamente estrellas y eran ricas en polvo y gas, lo que las hacía opacas en el espectro visible, pero extremadamente luminosas en las longitudes de onda milimétricas y submilimétricas. La llegada del Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), capaz de observar en este dominio del espectro, abrió la posibilidad de estudiar los bulbos galácticos. Estas observaciones se complementan con la visión infrarroja del poderoso Telescopio Espacial James Webb (JWST), que aporta una visión global de las galaxias (cf. Figura 1).
Figura 2 - Esquema que ilustra el proceso de formación de los esferoides en las galaxias lejanas brillantes en submilimétrico y su relación con la evolución de las galaxias elípticas gigantes en el Universo actual.
En el extremo izquierdo, las imágenes infrarrojas capturadas por el JWST (ver leyenda Fig. 1) son seguidas por un zoom en sus regiones centrales en submilimétrico, obtenido gracias a ALMA. El esquema propone también una clasificación de las formas intrínsecas de las galaxias. Los parámetros medios de las morfologías están representados para: el conjunto de la muestra estudiada (elipse verde), una submuestra de galaxias compactas en submilimétrico (elipse naranja) y una submuestra de galaxias extendidas en submilimétrico (elipse azul). Estos parámetros se comparan con los de las galaxias locales de tipo temprano (elipse roja) y de tipo tardío (representadas por formas espirales violetas y cian).
Crédito: Tan et al. 2024.
Esta investigación también ha sido posible gracias a un avance técnico importante. En una publicación anterior (Tan et al. 2024, A&A), los investigadores desarrollaron un nuevo método para ajustar perfiles de luminosidad superficial a observaciones interferométricas, como las producidas por ALMA. Antes de esta innovación, la extracción de información a partir de estos datos era compleja, y los métodos existentes introducían demasiados sesgos, dificultando un análisis profundo de los sistemas esferoidales.
Nuevas perspectivas sobre la formación de las galaxias elípticas gigantes en el Universo primitivo
Este estudio se basa en observaciones ALMA recopiladas a lo largo de los años por diversos proyectos. Gracias a los proyectos archivísticos A3COSMOS y A3GOODS, los investigadores pudieron constituir una muestra de más de un centenar de galaxias con formación estelar intensa, muy brillantes en el dominio submilimétrico, con una relación señal/ruido alta (S/R > 50). Estas galaxias provienen del Universo primitivo, cuando tenía solo entre 1,6 y 4,3 mil millones de años (corrimiento al rojo entre z = 1,5 y 4). Tal riqueza de datos habría sido imposible de obtener en el marco de una solicitud clásica de tiempo de observación, destacando la importancia de la explotación de archivos para estudios de esta envergadura.
El primer descubrimiento se refiere a la morfología de las componentes submilimétricas en los centros de estas galaxias, que corresponden a los lugares de formación de estrellas. El estudio indica que la mayoría de los centros de estas galaxias son intrínsecamente esféricos, y no en forma de disco como se pensaba. De hecho, los investigadores observaron que la emisión submilimétrica de estas galaxias es muy compacta, con perfiles de brillo superficial que se desvían significativamente de los típicos de los discos. Esta conclusión se refuerza con modelizaciones detalladas de su geometría 3D, que muestran que la relación entre los ejes más cortos y los más largos es en promedio la mitad, aumentando con la compacidad espacial (cf. Figura 2).
La segunda revelación de este estudio se refiere al mecanismo de formación de las galaxias esferoidales. Durante mucho tiempo se pensó que los esferoides se formaban tardíamente en la historia del Universo, principalmente por coalescencia, es decir, por la fusión de dos galaxias tras una colisión. Sin embargo, este estudio aporta una nueva perspectiva: se han observado esferoides formándose directamente a partir de brotes de estrellas, probablemente debido a la acción simultánea de la acreción de gas frío y las interacciones entre galaxias, sin necesidad de fusión. Estos procesos conducen a una intensa formación de estrellas concentrada en los núcleos tridimensionales de estas galaxias, y esto, desde las primeras épocas de la historia cósmica.
Un posible acceso a los lugares de nacimiento de las grandes galaxias elípticas
Este estudio ha proporcionado las primeras pruebas observacionales sólidas de que los esferoides pueden formarse directamente gracias a una intensa formación de estrellas, alimentada por la acreción de gas frío y las interacciones galácticas simultáneas en los núcleos de las galaxias. Este proceso, aparentemente muy extendido en el Universo lejano, constituye un punto de inflexión en nuestra comprensión de la formación y evolución de los bulbos de las galaxias espirales, y puede ser también de las galaxias elípticas gigantes, como M87 en la constelación de Virgo, cuyos lugares de nacimiento se buscaban desde hace décadas.
Figura 3 - El JWST ha permitido recientemente revelar la verdadera naturaleza de la galaxia vecina M104, conocida como la galaxia del Sombrero. Gracias a su visión infrarroja, el telescopio ha podido observar a través del polvo y el gas, que daban la ilusión de brazos espirales. Los nuevos datos confirman que el Sombrero es en realidad una galaxia elíptica rodeada por un anillo, con una formación estelar muy débil (menos de una masa solar por año).
Crédito: © (NASA, ESA, CSA, STScI)
Nuevas observaciones ALMA, beneficiándose de una resolución y sensibilidad aumentadas, combinadas con datos de archivo, permitirán explorar en detalle la distribución y cinemática del gas frío —la materia prima de la formación estelar— dentro de estas galaxias mediante estudios estadísticos. Además, las capacidades de los telescopios JWST, Euclid y del telescopio espacial de la Estación Espacial China (CSST) para cartografiar las componentes estelares de las galaxias complementarán este enfoque, ofreciendo una visión más completa de su evolución (cf. Figura 3). Juntos, estos instrumentos prometen revolucionar nuestra comprensión de la formación de galaxias en el Universo primitivo.