Apenas 1.400 millones de años después del Big Bang, se esperaba que las galaxias fueran estrellas pequeñas, caóticas y todavía en formación. En cambio, los astrónomos han encontrado sistemas enormes y de aspecto maduro que parecen haberse ensamblado mucho antes de lo que predicen las teorías actuales.
Los modelos estándar dicen que las galaxias grandes crecen gradualmente, fusionándose con otras más pequeñas a lo largo de miles de millones de años. Estas galaxias tempranas masivas apuntan a un proceso mucho más rápido.
Nuevas observaciones publicadas en The Astrophysical Journal desde el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) sugieren cómo pudo haber sucedido eso. Al estudiar el gas frío en un cúmulo distante conocido como SPT2349-56, los investigadores parecen estar observando el colapso conjunto de docenas de galaxias.
“En lugar de acumular masa lentamente a lo largo de 14 mil millones de años, una galaxia elíptica masiva podría surgir rápidamente en sólo unos cientos de millones de años”, dijo Nikolaus Sulzenauer, primer autor que dirigió el análisis, en un comunicado de prensa.
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Formación estelar récord en el cúmulo de galaxias temprano
SPT2349-56 se encuentra en la constelación de Phoenix y es uno de los cúmulos de galaxias más extremos jamás observados. En su centro, al menos cuatro galaxias masivas están muy entrelazadas, formando estrellas a un ritmo de aproximadamente una nueva estrella cada 40 minutos. En comparación, nuestra galaxia natal, la Vía Láctea, forma sólo unas pocas estrellas al año.
Utilizando ALMA, el equipo rastreó el movimiento del gas frío y el polvo, las materias primas para la formación de estrellas. Observaron corrientes de gas que se extendían desde el núcleo del cúmulo a velocidades de unos 300 kilómetros por segundo. Estos arcos brillantes están formados por fuerzas gravitacionales a medida que las galaxias se atraen y desgarran entre sí.
Estas corrientes parecen conectarse con unas 20 galaxias adicionales más lejanas. En total, unas 40 galaxias ricas en gas están atrapadas en lo que parece una reacción en cadena de fusiones. En lugar de crecer gradualmente, este grupo parece colapsar hacia adentro de una vez.
Cómo se forman las elípticas gigantes
Esta observación apunta a un nuevo camino sobre cómo se forman las galaxias elípticas gigantes. En lugar de ensamblarse lentamente a lo largo de miles de millones de años, las regiones más densas del universo primitivo pueden haberse separado de la expansión cósmica desde el principio. Luego, la gravedad unió todo en un colapso dramático. En menos de 300 millones de años (un abrir y cerrar de ojos en términos cósmicos), decenas de galaxias podrían fusionarse en una enorme estructura.
Las simulaciones por computadora realizadas por investigadores de la Universidad de Columbia Británica ayudaron a confirmar la idea. Cuando modelaron cómo evolucionan estos cúmulos densos, los resultados coincidieron estrechamente con las observaciones de ALMA de SPT2349-56.
Si este escenario es correcto, la mayoría de las galaxias que se ven actualmente en el núcleo del cúmulo eventualmente desaparecerán como sistemas separados. Sus estrellas, gas y materia oscura se combinarán en una sola galaxia elíptica gigante, del tipo que se encuentra comúnmente en los centros de los cúmulos de galaxias en la actualidad.
Los hallazgos también plantean nuevas preguntas. A medida que las galaxias chocan, las ondas de choque calientan el gas circundante y los agujeros negros supermasivos en crecimiento pueden bombear aún más energía a su entorno. Ese calor adicional puede impedir la formación de nuevas estrellas. Pero los científicos aún no saben exactamente qué proceso juega el papel más importante, o qué tan rápido se detiene la formación estelar durante estas rápidas fusiones.
Observando una transformación en tiempo real
SPT2349-56 puede representar una etapa en la que muchas galaxias jóvenes se fusionan en una sola elíptica gigante. Estos rápidos colapsos podrían explicar por qué algunas galaxias masivas ya parecían maduras en las primeras etapas de la historia del universo. Los hallazgos también muestran cómo elementos como el carbono se calentaron y propagaron a través de los primeros cúmulos de galaxias.
“Puede que sea demasiado pronto para afirmar que tenemos una comprensión completa de la ‘primera infancia’ de las elípticas gigantes, pero hemos recorrido un largo camino en la vinculación de los desechos de las mareas en los protocúmulos con el proceso de formación de galaxias masivas ubicadas en los cúmulos de galaxias actuales”, dijo el coautor Scott Chapman en un comunicado de prensa.
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