Imágenes de Hubble y GRANTECAN ayudan a identificar cómo se formaron las primeras galaxias

Una de las preguntas más interesantes que los astrofísicos han tratado de responder desde hace décadas es cómo y cuándo se formaron las primeras galaxias. En cuanto al cómo, una posibilidad es que la formación de las primeras estrellas dentro de las galaxias comenzara a un ritmo constante, construyendo lentamente un sistema cada vez más masivo. Otra posibilidad es que la formación fuera más violenta y discontinua, con brotes de formación estelar intensos, pero de corta duración, desencadenados por eventos como fusiones de galaxias y acumulaciones de gas amplificadas.

Un equipo internacional de investigadores, liderado por el Centro de Astrobiología (CAB, CSIC-INTA), y en el que participa el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) en colaboración con investigadores de Reino Unido, México y Chile, han investigado el origen de las primeras estrellas y estructuras formadas en el Universo. Para ello, han utilizado el análisis de datos del programa Frontier Fields, el proyecto más ambicioso realizado con el Telescopio Espacial Hubble (HST) y el Gran Telescopio Canarias (GTC o GRANTECAN), el mayor telescopio óptico e infrarrojo del mundo, situado en el Observatorio del Roque de los Muchachos (Garafía, La Palma). Los primeros resultados se han publicado hoy en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS).

“Las primeras galaxias podrían haber sumado nuevas estrellas lenta pero continuamente, sin mucha aceleración y convirtiendo pausadamente el gas en estrellas relativamente pequeñas durante largos períodos de tiempo. O la formación podría haber sido desigual, con brotes de formación estelar que produjeron estrellas increíblemente grandes, capaces de deformar la propia galaxia y hacerla cesar su actividad por un tiempo o para siempre”, explica Pablo G. Pérez-González, investigador del CAB, coautor del artículo y líder de la colaboración internacional detrás de este estudio. “Cada escenario está vinculado a diferentes procesos, como las fusiones de galaxias o la influencia de los agujeros negros supermasivos, y tienen un efecto sobre cuándo y cómo se formaron elementos como el carbono o el oxígeno, que son esenciales para nuestra vida”, añade.

En un trabajo recientemente publicado sobre este tema, los astrónomos buscaron análogos cercanos de las primeras galaxias formadas en el Universo para que pudieran estudiarse con mucho más detalle. Alex Griffiths, investigador de la Universidad de Nottingham y primer autor del artículo, señala: “Hasta que no tengamos el nuevo telescopio espacial James Webb no podremos observar las primeras galaxias formadas en el Universo. Son demasiado débiles. Así que buscamos bestias similares en el Universo cercano y las diseccionamos con los telescopios más potentes que tenemos actualmente”.

El enfoque en este trabajo fue el de combinar la potencia de los telescopios más avanzados, como HST y GTC, con la ayuda de “telescopios naturales”. Chris Conselice, coautor del artículo y supervisor de la tesis doctoral de Griffiths, comenta sobre la estrategia: “Algunas galaxias viven en grandes grupos, los llamamos cúmulos, que contienen enormes cantidades de masa en forma de estrellas, pero también de gas y materia oscura. Su masa es tan grande que curvan el espacio-tiempo, y actúan como telescopios naturales. Estas llamadas lentes gravitacionales nos permiten ver galaxias débiles y distantes con mayor brillo y mayor resolución espacial, es como si tuviéramos una lupa construida por el propio Universo”. Las observaciones de algunos de estos cúmulos masivos que actúan como telescopios gravitacionales son la base del proyecto Frontier Fields, el más ambicioso programa del Hubble.

En el trabajo publicado en MNRAS, los autores combinaron el poder de lente gravitacional de algunos de los cúmulos de galaxias más masivos del Universo con imágenes profundas de GTC en el marco del proyecto SHARDS (Survey for high-z Red and Dead Sources, por sus siglas en inglés), con el fin de localizar y estudiar algunas de las galaxias más pequeñas y débiles del Universo cercano.

El proyecto SHARDS consiste en la toma con el GTC de imágenes superprofundas del campo observado por Hubble, haciendo uso de 25 filtros de ancho intermedio que en su conjunto cubren el rango de longitudes de onda de 500 a 940 nanómetros. “Estas imágenes selectivas permiten analizar cómo se distribuye la emisión luminosa de las galaxias extremadamente débiles en los diferentes colores del rango de la luz visible. Y con eso es posible detectar el gas calentado por las estrellas recién formadas, que emite en longitudes de onda específicas (líneas de emisión) en un proceso igual al que ocurre en una lámpara de neón”, indica Romano Corradi, director de GRANTECAN.

“Para obtener estas imágenes, el proyecto SHARDS ha necesitado 120 horas de observación con el GTC. Las imágenes, que se pueden combinar en una única e impresionante imagen en pseudocolor, son una verdadera mina de información científica sobre los miles de galaxias que se detectan”, destaca Antonio Cabrera, jefe de Operaciones Científicas de GRANTECAN.

“Nuestro principal resultado es que el inicio de la formación de galaxias es irregular, con períodos de formación de estrellas muy violenta seguidos de intervalos donde la galaxia parece dormida”, agrega Griffiths. “Es poco probable que las fusiones de galaxias hayan jugado un papel sustancial en el desencadenamiento de estos brotes de formación estelar y es más probable que se deba a otras causas que aumentaron la acumulación de gas, tenemos que indagar más”, concluye.

El Gran Telescopio Canarias y los Observatorios del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) forman parte de la red de Infraestructuras Científicas y Técnicas Singulares (ICTS) de España.

Artículo: Griffiths et al. “Emission Line Galaxies in the SHARDS Frontier Fields I: Candidate Selection and the Discovery of Bursty Hα Emitters”. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS). DOI: https://doi.org/10.1093/mnras/stab2566.

Pie de foto: Cúmulo Abell 370, una de las regiones del cielo observadas por el proyecto SHARDS Frontier Fields. Esta imagen es la más profunda jamás tomada para detectar galaxias con líneas de emisión, que están formando estrellas activamente. Crédito: GRANTECAN