¿Cómo la filogenética puede reconstruir la historia evolutiva de las galaxias?

A través de herramientas
biológicas, la composición química de las estrellas puede actuar como un
«ADN galáctico» y revelar los procesos que moldearon una galaxia a lo
largo de miles de millones de años.

Una investigación en la que
participan astrónomos del Centro de Astrofísica y Tecnologías Afines – CATA
(proyecto financiado por ANID) adaptó métodos de la biología evolutiva para
reconstruir el enriquecimiento químico de una galaxia a lo largo de su historia.

El estudio, publicado
en Astronomy & Astrophysics, fue encabezado
por Brian Tapia Contreras, Investigador Adscrito del CATA y estudiante de
doctorado de la Pontificia Universidad Católica de Chile (UC), bajo la tutela
de Patricia Tissera, Directora del Centro y académica del Instituto de
Astrofísica de la UC. 

El equipo estuvo compuesto, además, por Emanuel Sillero,
Investigador Postdoctoral de Fondecyt en la UC e investigador adscrito al 
CATA, y Paula Jofré, académica de la Universidad Diego Portales (UDP), entre
otros investigadores. Este proyecto comenzó bajo el alero del Núcleo Milenio
ERIS, liderado por Jofré y Tissera.

Filogenética
galáctica: aplicando la biología al estudio del Universo

La filogenética es la
disciplina que reconstruye las relaciones evolutivas entre las especies, hoy en
día principalmente mediante la comparación de sus secuencias de ADN. Como éste
se hereda de una generación a otra y acumula cambios con el tiempo, esas diferencias
permiten trazar árboles evolutivos que muestran qué especies están más
estrechamente emparentadas y cuáles comparten ancestros comunes más recientes.

Su adaptación al estudio de
las galaxias dio origen a la “filogenética galáctica”, una metodología que
propone a las abundancias químicas estelares como un “ADN galáctico”.

Cada generación estelar
enriquece el gas circundante con nuevos elementos químicos, principalmente
mediante explosiones de supernovas y otros procesos de pérdida de masa. Las
estrellas que se forman posteriormente a partir de ese gas incorporan en su composición
la huella química de las generaciones anteriores. Analizando ese registro
mediante este enfoque, se espera reconstruir la historia evolutiva de una
galaxia.

Brian Tapia Contreras explica
que «la idea es tomar distintas poblaciones estelares y calcular
diferencias químicas entre ellas. Usamos un algoritmo que toma esa información
y, asumiendo un ancestro primordial común, empieza a construir una secuencia
evolutiva. 

Lo llamativo es que es un proceso basado únicamente en la
información química: en ningún momento decimos que una estrella es más vieja
que otra. Son los propios elementos los que van reconstruyendo una evolución
temporal».

Una simulación
para seguir la química estrella a estrella 

Para poner a prueba esta idea,
los investigadores diseñaron Origins, una simulación de una galaxia de disco
similar a la Vía Láctea que evoluciona en aislamiento durante 3.500 millones de
años. Este modelo reproduce los principales procesos físicos que moldean la
evolución de una galaxia, como la gravedad, la física del gas y el nacimiento y
desarrollo de nuevas estrellas, además de rastrear con gran detalle el origen y
transporte de 22 isótopos químicos. 

Esto permitió seguir cómo se
enriquece de elementos químicos el medio interestelar y cómo diferentes
procesos físicos modifican su distribución y abundancia, dejando sus huellas en
la composición química de las estrellas. 

La simulación se ejecutó
usando recursos computacionales chilenos de alto rendimiento, entre ellos, el
clúster Geryon del Centro de Astrofísica y Tecnologías Afines (CATA), que se
empleó para el desarrollo del código numérico y el clúster Ladgerda, financiado
por Fondecyt Regular y el Núcleo Milenio ERIS.

Los árboles
filogenéticos recuperan historias evolutivas

El equipo aplicó el análisis
filogenético a dos regiones de la galaxia simulada Origins con historias muy
distintas: un anillo interior, donde una barra galáctica impulsa intensos
flujos de gas hacia el centro, y un anillo exterior, dominado por los brazos
espirales y caracterizado por una evolución química más pausada. Si la
metodología funcionaba como se esperaba, debía ser capaz de distinguir ambas
trayectorias evolutivas a partir de la información química contenida en las
estrellas.

Los árboles filogenéticos
construidos a partir de estos datos lograron distinguir diferencias reales
entre las historias de formación de ambas regiones.

En el anillo interior surgió
una estructura compleja, con agrupaciones llamadas ‘clados fuertes’, es decir,
conjuntos de estrellas que comparten una historia común de enriquecimiento
químico. El grupo más prominente correspondió a estrellas antiguas enriquecidas
rápidamente por supernovas de tipo II, evidenciando un episodio temprano e
intenso de formación estelar asociado a flujos de gas impulsados por la
presencia de la barra galáctica.

En contraste, el árbol
correspondiente al anillo exterior presentó una ramificación más lineal y
simétrica, coherente con una trayectoria química continua, característica de
una región dominada por una actividad estelar más sostenida en el tiempo.

Al respecto, Patricia Tissera
explica que esto «demuestra que el método puede distinguir entre regiones
con formación estelar violenta como el centro de una galaxia, y con una
evolución más suave y constante, como en las regiones del disco, analizando
únicamente la estructura del árbol filogenético resultante».

Para cuantificar estas
diferencias, el equipo recurrió a herramientas utilizadas en biología para
medir la complejidad de los árboles evolutivos. Los resultados mostraron que
las configuraciones correspondientes al anillo interior son sistemáticamente más
complejas que las del anillo exterior, reflejando un pasado consistente con una
formación y enriquecimiento químico más dinámico.

El análisis también demostró
que esta metodología es capaz de detectar la huella de la barra galáctica. Al
redistribuir gas hacia el centro de la galaxia, esta estructura genera
poblaciones estelares con historias químicas distintivas que esta técnica logra
identificar sin necesidad de incorporar datos de posición, edad, ni dinámica.

«Esto puede convertirse
en un método para confirmar o proponer estrellas que pudieron tener un origen
distinto al de las demás. Es algo que también se hace en la Vía Láctea cuando
se estudian cúmulos globulares o estrellas provenientes de fusiones pasadas,
que suelen ser distintas químicamente», expone Brian Tapia Contreras.

Un nuevo enfoque
para la era del Big Data astronómico

La filogenética galáctica no
reemplaza los métodos existentes, sino que los complementa. Una de sus
principales ventajas es que no requiere estimaciones precisas de las edades
estelares. En su lugar, se basa en abundancias químicas, una información cada vez
más accesible gracias a los grandes proyectos espectroscópicos.

El principal desafío será
interpretar el gran volumen de datos que producirán estas iniciativas. En ese
contexto, esta metodología podría convertirse en una aliada clave para
reconstruir historias de formación galáctica, identificar poblaciones estelares
según su origen y comparar otras galaxias mediante sus patrones de
enriquecimiento químico.

Sobre este escenario, Tissera
sostiene que «ante el crecimiento exponencial de datos provenientes de
observatorios y proyectos como Gaia, MOONS, 4MOST y el ELT (Extremely Large
Telescope), la filogenética galáctica se perfila como una herramienta
revolucionaria. Permite decodificar el ‘registro fósil’ de las galaxias
utilizando únicamente información química, algo vital porque obtener
estimaciones robustas de las edades de las estrellas es extremadamente difícil,
mientras que las abundancias químicas actúan como un ADN estelar
heredado».

Próximos pasos

El trabajo demostró la
funcionalidad del método aplicado en un escenario simulado e intencionalmente
controlado para entender qué significa cada señal del árbol filogenético. Los
próximos pasos apuntan a ampliar esa complejidad.

«La siguiente etapa será
extender este enfoque a escenarios más complejos y cercanos a una galaxia real.
El desafío será entender qué ocurre cuando se mezclan múltiples poblaciones
estelares con orígenes distintos, asociadas principalmente a fusiones de galaxias
ocurridas en diferentes momentos de su historia», enfatiza Tapia
Contreras.

Para esto, el equipo planea
aplicar la filogenética galáctica a simulaciones del proyecto
CIELO, iniciativa liderada por Patricia Tissera. Desarrolladas por el mismo
equipo de investigación, estas se convertirán en laboratorios más realistas
para seguir poniendo a prueba y perfeccionar esta metodología.

Este trabajo demuestra cómo
las simulaciones numéricas permiten recrear universos virtuales, que pueden
utilizarse como laboratorios para poner a prueba nuevas ideas, hipótesis y
técnicas de análisis, sumado al valor de desarrollar trabajos multidisciplinarios.

Enlace a investigación: https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2026/07/aa57475-25/aa57475-25.html