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Galaxias glotonas que consumieron demasiado rápido su gas

Crédito de la imagen destacada: adaptada de ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/S. Dagnello (NRAO), STScI, K. Whitaker et al.

Hace mucho, mucho tiempo, nuestro universo dio comienzo con el Big Bang. Enseguida se formaron los primeros protones, neutrones y electrones, pero estaba todo tan caliente que no podían juntarse para formar átomos. Unos cientos de miles de años después, la temperatura bajó lo suficiente como para que estas partículas se combinasen formando los elementos más sencillos: hidrógeno y helio. De repente, grandes reservas de gas estaban disponibles en el universo, que continuó enfriándose para dar lugar a las primeras estrellas y galaxias. Esas primeras galaxias protagonizaron un enorme brote de formación estelar cuando el universo era apenas un bebé con 3000 millones de años. Sin embargo, el artículo de hoy presenta seis galaxias que parecen haberse quedado rezagadas y no están formando estrellas. Con tanto gas disponible… ¿Por qué no lo hacen?¿Olvidaron cómo transformar gas en estrellas?

Galaxias esquivas y un REQUIEM galáctico

Empecemos por el principio. Como seguramente habrán escuchado alguna vez, mirar al cielo es echar un vistazo al pasado. En efecto, dado que la transmisión de la luz tiene un límite de velocidad de 300000 km/s y el universo es enorme, por rápida que nos parezca no es instantánea. Así que la luz que recibimos de galaxias muy lejanas nos muestra cómo eran cuando esa luz se emitió, pero no como son en el momento en que las observamos. En concreto, las galaxias del artículo de hoy tienen redshifts de entre uno y tres, lo que significa que las vemos tal y como eran cuando el universo apenas tenía un 20% de su edad actual.

Se trata de seis galaxias masivas del catálogo REQUIEM, que incluye galaxias apagadas a alto redshift. Normalmente las galaxias a alto redshift suelen tener mucha formación estelar, pero “apagada” significa que no está formando estrellas. Así que si están apagadas y a “alto redshift”, ¿cómo es posible verlas estando tan lejos y sin formación estelar?

Un radiotelescopio, una esfera blanca, una roja  y un plano vertical, se distribuyen alineadas y equidistantes en horizontal. Dos líneas unen el radiotelescopio con la esfera roja, curvándose para bordear la blanca. El plano contiene un círculo blanco rodeado por una circunferencia roja que se une con el radiotelescopio por líneas rectas.
Figura 1: Efecto de lente gravitacional producido por una galaxia masiva (objeto blanco) sobre la luz procedente de una galaxia pequeña (objeto rojo). La galaxia que produce la lente se sitúa entre el punto de observación (la Tierra) y la galaxia pequeña. El plano muestra cómo se verían ambas galaxias desde la Tierra: un objeto circular y deformado en torno a la galaxia masiva que produce el efecto lente. Crédito: ALMA (ESO/NRAO/NAOJ), L. Calçada (ESO), Y. Hezaveh et al.

Aquí es donde entra en juego el efecto de lente gravitacional. Se trata de un fenómeno predicho por la Relatividad General según el que la luz, que normalmente viaja en línea recta, puede curvar su trayectoria al pasar cerca de objetos con mucha masa. La consecuencia práctica se ilustra en la Figura 1: objetos muy lejanos que no deberíamos ver (en este caso, galaxias) pueden volverse observables desde la Tierra cuando están “detrás” de un objeto muy masivo (como un supercúmulo de galaxias). Esto es debido a que algunos rayos de luz que no se dirigían originalmente hacia la Tierra son desviados por la lente de manera que cambian su dirección y finalmente, sí que nos llegan. Así que la imagen que vemos de dichas galaxias resulta deformada pero recibimos de ellas mucha más luz de la que deberíamos, lo que nos permite deducir gran cantidad de información. Y esto es precisamente lo que busca REQUIEM: galaxias muy lejanas y apagadas, pero magnificadas por lentes gravitacionales. En concreto, las seis galaxias de la muestra tienen factores de magnificación desde 3 hasta 30, lo que significa que el área de la imagen que vemos es 3-30 veces mayor que el área que tendría la galaxia si no estuviese afectada por la lente.

El ALMA del estudio

El equipo investigador estudia detalladamente las seis galaxias usando datos del Telescopio Espacial Hubble y la instalación ALMA. Del primero obtienen imágenes que dan una idea de su aspecto, mientras que con ALMA intentan observar el polvo (Figura 2). Esto resulta interesante ya que la cantidad de polvo de una galaxia está relacionada con la cantidad de gas, y por lo tanto sabiendo lo primero se puede estimar cuánto gas le queda. Pero para sorpresa del equipo, en cuatro de las seis galaxias de la muestra no hay ni rastro de polvo y por tanto tampoco de gas. Sólo en dos galaxias se detecta polvo, pero es tan poca cantidad que equivale a menos de un 4.6% de gas respecto de estrellas, cuando lo habitual en esa época del universo sería en torno a un 50%. Así que no hay dudas: estas galaxias no están formando estrellas, están apagadas. ¿Cómo han llegado a esa situación?

Seis paneles de fondos oscuros. En cada uno hay estructuras amarillas de distintas formas, pero principalmente alargadas y curvas.
Figura 2: Imágenes tomadas por el Telescopio Espacial Hubble de las seis galaxias masivas y apagadas estudiadas gracias al efecto lente gravitacional. Los paneles a-f están ordenados de menor a mayor redshift. Los contornos (líneas continuas) marcan las observaciones de polvo hechas con ALMA (sólo detectadas en a y c), con los colores indicando su señal a ruido. Crédito: Figura 1 del artículo original (Whitaker et al. 2021).

Pensemos en una niña con una bolsa de caramelos, a la que se le da la opción de comerlos todos de golpe o reservarlos para comer uno cada día durante una semana. ¿Qué elegiría? Los datos disponibles hasta ahora sugerían que las galaxias masivas eran más de reservarse el gas para consumirlo poco a poco, de manera que podrían formar estrellas durante largos periodos de tiempo. Pero las galaxias de la muestra estudiada parecen ser de las que se comen todos los caramelos el primer día: transformaron todo el gas en estrellas tan rápidamente que al cabo de un corto periodo de tiempo perdieron toda opción de continuar con el proceso.

También habría una tercera opción: que la niña regale todos sus caramelos a un amigo. Las galaxias podrían haberse quedado tan rápido sin gas no por glotonas sino por haberlo expulsado al medio intergaláctico. Si ese hubiese sido el caso apenas habrían podido formar estrellas, pero los datos de metalicidad (cantidad de elementos pesados) sugieren que en las galaxias apagadas se sucedieron varias generaciones de estrellas. Así que volvemos a la hipótesis glotona.

El eterno tira y afloja entre la teoría y las observaciones

Lo interesante del estudio es que las cantidades de gas que se deducen para estas seis galaxias son muchísimo más pequeñas que lo que predicen los modelos teóricos basados en observaciones previas. Dado el limitado número de galaxias de la muestra, podría tratarse de un grupo con cantidades de gas particularmente pequeñas pero que esta no sea la norma general en ese momento del universo. También podría ser que las cantidades medidas en otras galaxias estén sobreestimadas debido a que la resolución de las observaciones era menor. De hecho, es la primera vez que se consigue medir fracciones de gas tan pequeñas en galaxias tan lejanas. O podría ser incluso que la relación entre las cantidades de polvo y gas de una galaxia necesite mejores estimaciones.

En cualquier caso, lo que está claro es que hace falta revisar los modelos cosmológicos en base a esta nueva información, ya que de confirmarse que hay un alto porcentaje de galaxias “glotonas” a alto redshift… ¡Nos tendremos que replantear muchos aspectos de lo que creíamos que sabíamos! Habrá que estar muy pendientes de los nuevos datos que se obtengan a medida que se logren nuevas y más precisas observaciones de galaxias tan lejanas.

Acerca de Guayente Panizo Espinar

Nací y crecí en la isla de Lanzarote (Canarias, España), y tras completar mis estudios de Física y Astrofísica me embarqué en la aventura del doctorado en el Instituto de Astrofísica de Canarias. Haciendo mi Trabajo Final de Grado conocí las estrellas binarias y fue un flechazo, así que ahora dedico mi tesis a investigar binarias de rayos X poco masivas, principalmente analizando espectros ópticos. Me gusta leer (especialmente ciencia ficción), jugar a rugby y la divulgación.

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