Detectan combustible que impulsó el crecimiento de una galaxia en el amanecer cósmico

(c) ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/L .Rowland et al.

Un equipo internacional de astrónomos
logró detectar directamente una gigantesca reserva de gas molecular frío en
REBELS-25, una galaxia masiva observada cuando el Universo tenía solo unos 700
millones de años de edad. El hallazgo entrega nuevas pistas sobre cómo algunas
de las primeras galaxias lograron crecer rápidamente durante una de las etapas
más tempranas del cosmos.

La investigación contó con la
participación de Manuel Aravena, Investigador Asociado del Centro de
Astrofísica y Tecnologías Afines – CATA (Centro Basal de ANID) y académico de
la Universidad Diego Portales (UDP). El estudio combinó observaciones obtenidas
con el Very Large Array (VLA), en Estados Unidos, y el Atacama Large
Millimeter/submillimeter Array (ALMA), en Chile.

Mediante observaciones de monóxido de
carbono (CO), molécula utilizada para rastrear la presencia de gas molecular,
el equipo logró identificar una enorme proporción de gas en este sistema. Se
trata, además, de la observación más lejana realizada hasta ahora de este tipo
de señal. Aunque los astrónomos sospechaban que las primeras galaxias masivas
debían contener grandes cantidades de este material para explicar su veloz
desarrollo, no existían registros directos de estos depósitos a una distancia
tan remota.

“REBELS-25 es especial porque la estamos
viendo cuando el Universo tenía apenas unos 700 millones de años. Y aun así, no
parece una galaxia en sus primeras etapas de formación, sino un sistema ya
bastante desarrollado: tiene polvo, metales, una estructura dinámica
relativamente ordenada y ahora observamos su enorme reserva de gas molecular
frío”, explicó Aravena, quien también es investigador del Núcleo Milenio de
Galaxias (MINGAL).

El astrónomo del CATA agregó que “lo más
importante es que este material es el combustible directo para formar nuevas
estrellas. Hallar tales cantidades de gas en una galaxia tan temprana nos dice
que algunos sistemas del Universo primitivo fueron capaces de acumular material
a gran velocidad. En otras palabras, REBELS-25 tenía el estanque lleno para
seguir formando estrellas de manera intensa mucho antes de lo que uno podría
imaginar”.

Una ventana al Universo primitivo

REBELS-25 se encuentra en la Época de la
Reionización, un periodo crucial de la evolución cósmica durante el cual la
radiación de las primeras estrellas y galaxias ionizó el hidrógeno neutro del
Universo. Hasta entonces, este gas actuaba como una niebla que impedía el paso
de la luz; al ionizarse, el cosmos se volvió progresivamente transparente y la
luz pudo viajar libremente. Comprender cómo estos sistemas lograron acumular
masa en tan poco tiempo constituye una de las preguntas centrales de la astronomía
moderna.

Según Aravena, la detección permite ir más
allá de las estimaciones indirectas utilizadas hasta ahora. “Muchas veces
inferimos la cantidad de gas a partir del polvo, de la formación estelar o de
otras líneas como carbono ionizado (CII). Pero, en este caso, estamos
detectando CO, que es un trazador clásico del gas molecular. Eso nos permite
confirmar con mayor certeza que algunas galaxias muy tempranas ya contaban con
enormes depósitos de combustible y, por lo tanto, estaban listas para crecer a
gran velocidad”, señaló.

Superando límites de observación

Captar gas frío a estas distancias
representa un enorme reto observacional, ya que la señal proveniente de las
galaxias más lejanas es extremadamente débil. Para superarlo, el equipo combinó
las capacidades de ALMA y del VLA.

“El VLA fue clave porque permitió observar
una transición de baja excitación del monóxido de carbono -CO(3-2)-, que es una
de las mejores formas de rastrear el gas molecular frío. ALMA, por su parte,
permitió detectar una transición de mayor excitación -CO(7-6)-, además de
aportar información sobre el polvo y la línea de CII. Al combinar ambas
observaciones, no solo detectamos que hay gas molecular, sino que también
podemos empezar a entender sus condiciones físicas”, explicó el investigador
del CATA.

Aravena, además, enfatiza que “a las
distancias observadas, el fondo cósmico de microondas es mucho más caliente y
actúa como una especie de fondo brillante contra el cual debemos detectar el
gas frío, lo que reduce el contraste de la emisión de CO y dificulta captar la
señal. Estos resultados son importantes porque muestran que, con observaciones
suficientemente profundas e instrumentos adecuados, aún podemos rastrear el gas
frío en galaxias de esta época”.

Los próximos desafíos

El equipo espera ahora profundizar este
tipo de observaciones y extenderlas a un número mayor de galaxias de la Época
de la Reionización. “REBELS-25 puede ser, apenas, la punta del iceberg, pero
necesitamos saber si este enorme reservorio de gas es algo común en galaxias
tempranas masivas o si es un caso excepcional. Esa comparación será clave para
entender cómo se formaron las primeras galaxias grandes del Universo”, indicó
Aravena.

Crédito: NSF/AUI/NSF NRAO/M. Weiss.

Finalmente, el estudio remarca el
potencial del Next Generation Very Large Array (ngVLA), que tendrá una
capacidad única para este tipo de estudios. “Este instrumento tendrá mayor
sensibilidad, lo que permitirá hacer mediciones mucho más rápido y sobre
muestras más amplias de galaxias. 

Con el ngVLA podremos pasar de una detección
notable a estudios estadísticos: medir cuánto gas frío albergan las galaxias
del cosmos primitivo y cómo varía según su masa, su edad y su formación
estelar”, concluye Manuel Aravena.