Formación estelar en las primeras galaxias

Galaxia espiral ESO 325-G004. Fuente Wikipedia. Crédito NASA, ESA, and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA); J. Blakeslee (Washington State University)

Aunque algunas veces vemos estrellas vagando por el espacio intergaláctico, la gran mayoría de ellas se encuentra en las propias galaxias. Las estrellas son los ciudadanos de las galaxias. Se mueven entre el polvo galáctico y algunas tienen familia en forma de planetas.

Se podría decir que las estrellas dan carácter a las galaxias. Dependiendo de los tipos de estrellas que tengan, las galaxias tendrán una composición u otra.

Para estudiar la composición de las galaxias se utiliza la técnica de la espectroscopia. Cuando la luz proveniente de una galaxia se hace pasar a través de un espectrógrafo, esta se descompone en diversos colores (longitudes de onda en el espectro electromagnético) y analizando estos, se puede saber que elementos químicos la componen. Cuando, a través de la observación, podemos distinguir estrellas individuales, algo que solo pasa en las galaxias más cercanas, la luz sabremos que es la de una determinada estrella en esa galaxia. Cuando la galaxia es muy lejana, la luz será la suma de la que emiten todas las estrellas de esa galaxia.

Estudiando esta luz, si detectamos elementos químicos pesados – por ejemplo, carbono, oxígeno o incluso más pesados – podemos decir que la galaxia es relativamente joven. Si los elementos químicos son ligeros como el hidrógeno, helio o litio, la galaxia será muy vieja.

Este hecho se explica por dos razones.

La primera es que al comienzo del universo los elementos químicos que existían eran fundamentalmente hidrógeno, helio y litio. Mediante reacciones nucleares en el núcleo, estos elementos se transforman en elementos más pesados y, cuando la estrella llega al final de sus días, son expulsados al medio interestelar para dar lugar a estrellas que los incorporarán en su composición. Es decir, las estrellas que tienen elementos pesados son más jóvenes ya que se han formado después de las que solo tenían hidrógeno, helio y litio.

La segunda razón es que cuando observamos una galaxia lejana, debido a que su luz ha tardado más tiempo en llegar hasta nosotros por tener una velocidad finita, lo que en realidad estamos viendo son las galaxias más antiguas del universo.

Con todo esto podríamos decir que cuando observamos una galaxia muy muy lejana, estaríamos estudiando una de las primeras galaxias del universo y por lo tanto su composición sería principalmente hidrógeno, helio y litio.

O no.

Takuya Hashimoto y colaboradores han usado ALMA para observar una galaxia cuya luz se emitió 550 millones de años después del Big Bang. Teniendo en cuenta la vida de las estrellas (las más masivas evolucionan más rápido que las menos masivas), las primeras estrellas de esta galaxia se habrían formado cuando el universo tenía solo 250 millones de años después del Big Bang.

Cúmulo de galaxias MACS J1149.5+2223 tomado por el Hubble Space Telescope. Mostrando la imagen de la galaxia MACS1149-JD1 en verde (oxígeno) tomada por ALMA. Crédito: ALMA (ESO / NAOJ / NRAO) / Hashimoto et al. NASA / ESA Hubble Space Telescope / W. Zheng (JHU) / M. Postman (STScI) / CLASH Team

La curiosidad de estas observaciones es que han detectado oxígeno, que es, como hemos visto, uno de los elementos pesados que surgen tras la muerte de las primeras estrellas. Esto quiere decir que en aquel momento ya se deberían haber formado estrellas (y haber muerto) para que el medio interestelar se enriqueciera con oxígeno.

Podríamos pensar que lo que ocurrió es que en esas galaxias la población de estrellas muy masivas era muy alta, con lo cual, sería muy probable que un gran número de ellas hubieran muerto y enriquecido el medio interestelar con oxígeno. Pero, no. Las observaciones han mostrado que el número de estrellas masivas es menor de lo esperado según los modelos de formación y evolución de galaxias. Estos modelos, predicen que la formación estelar comienza despacio y crece, a lo largo del tiempo, de manera exponencial. Sin embargo, lo que se observa es que, de alguna manera, hubo un fuerte comienzo de formación estelar, después se apagó durante un tiempo y posteriormente la formación volvió a ocurrir.

¿A qué conclusión nos lleva todo esto? Como en cualquier rama de la ciencia podemos tenemos dos opciones. La primera es que tenemos que seguir observando para obtener más resultados y confirmar o refutar las observaciones de Hashimoto y colaboradores. La segunda es que todo lo el conocimiento que tenemos sobre la formación de la primera generación de galaxias es incompleto. También puede existir una tercera opción que es la combinación de las dos anteriores.

Necesitamos más observaciones y más astrofísicos trabajando para llegar a entender como nuestro universo ha llegado a ser como es.

Jorge Bueno

Para saber más:

Takuya Hashimoto et al. The onset of star formation 250 million years after the Big Bang. Nature Volume 557, pages 392-395 (2018). doi: 10.1038/s41586-018-0117-z

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