Muchos misterios rodean las condiciones en el Universo primitivo, el principal de ellos es la cuestión de cómo y cuándo comenzaron a formarse las galaxias. En algún momento de la historia del Universo, la inestabilidad gravitacional reunió grupos de materia cada vez más grandes, comenzando con átomos, polvo y gas, luego estrellas y planetas, cúmulos y finalmente galaxias masivas.
Mientras que las primeras protogalaxias pueden haberse formado tan pronto como unos pocos cientos de millones de años después del Big Bang, se cree que las primeras galaxias bien formadas con características tales como brazos espirales, anillos y barras se formaron alrededor de 6 mil millones de años en los Universos 13,8 mil millones. año de vida.
La astronomía, en general, ha confirmado esto. Con galaxias más cercanas y, por lo tanto, más tardías que muestran características como anillos, barras y brazos espirales, como nuestro propio hogar, la Vía Láctea. Características que faltan en galaxias anteriores más distantes.
Sin embargo, nuevos descubrimientos están desafiando esta visión aceptada, con tres investigaciones recientes, en particular, que sugieren que las galaxias masivas y bien ordenadas existieron mucho antes en el Universo de lo que se creía anteriormente. Esto significa que la formación de galaxias comenzó mucho antes de lo esperado o progresó mucho más rápido de lo que sugieren muchos modelos.
Como consecuencia, los científicos pueden tener que refinar los modelos de formación de galaxias para dar cuenta de una evolución mucho más temprana o mucho más rápida.
Un equipo europeo de astrónomos no encontró evidencia de la primera generación de estrellas, conocidas como estrellas de Población III cuando el Universo tenía menos de mil millones de años, una de las tres líneas de evidencia que sugiere que las galaxias pueden haber comenzado a formarse antes en el Universo. historia de lo que implican los modelos actuales. (ESA/Hubble, M. Kornmesser)
La clave para resolver el misterio de qué tan pronto después del Big Bang se formaron galaxias con formas y características definitivas, como discos delgados y brazos espirales, comienza con el examen de las teorías que describen esta formación. Una familia de teorías que implica que estos procesos ocurren durante un período prolongado de tiempo, y otra que sugiere que la formación puede proceder mucho más rápido.
¡Abajo hacia arriba! ¿Comenzó la formación antes o avanzó más rápido?
El modelo más simple de formación de galaxias sugiere que en un momento en que el Universo era principalmente hidrógeno y helio, tales estructuras surgieron de densas nubes de gas que colapsaron bajo su propia gravedad. Este llamado modelo monolítico fue el primer proceso de formación sugerido para las galaxias y las estrellas que las componen y se conoce como modelo de formación jerárquico o de abajo hacia arriba.
También hay modelos de formación de arriba hacia abajo que sugieren que las galaxias pueden haber surgido de conglomerados de materia más grandes que se colapsaron de manera similar pero luego se separaron, pero actualmente estos no son los preferidos por la mayoría de los cosmólogos.
Los investigadores utilizan simulaciones avanzadas para crear árboles de fusión como los dos ejemplos anteriores. Estos diagramas demuestran cómo las fusiones pueden permitir que las galaxias crezcan hasta alcanzar un tamaño masivo en un espacio de tiempo relativamente corto. Izquierda: ESA/NASA Derecha: M. Merrifield/ Universidad de Nottingham
Bajo la influencia de la gravedad, el gas y el polvo colapsan en estrellas que se juntan como cúmulos, luego supercúmulos y finalmente galaxias. La pregunta es, ¿cómo crecen y desarrollan sus características las galaxias?
Una idea sugiere que la semilla de una galaxia continúa acumulando gas y polvo, creciendo lentamente hasta alcanzar un tamaño masivo. Cuando alcanza proporciones gigantescas, esta galaxia es capaz de engullir cúmulos de estrellas e incluso galaxias más pequeñas. Este proceso debería ser bastante lento, sin embargo, glacialmente al principio, de hecho, acelerándose una vez que las galaxias más pequeñas comienzan a ser absorbidas.
Si este es el mecanismo de formación predominante para las galaxias, entonces lo que no deberíamos ver en el universo primitivo, antes de unos 6 mil millones de años después del Big Bang, son galaxias masivas en forma de disco o galaxias armadas en espiral como la Vía Láctea. Más lejos en el espacio y, por lo tanto, más atrás en el tiempo, las galaxias irregulares y las manchas amorfas deberían verse fuertemente favorecidas. A menos que eso sea, la formación galáctica obtuvo una gran ventaja.
Pero, hay otra teoría de la evolución galáctica. ¿Qué pasa si el crecimiento de las galaxias progresa predominantemente a través de procesos de fusión?
En lugar de una galaxia esperando hasta que crezca masivamente para comenzar a acumular sus contrapartes más pequeñas, las fusiones entre galaxias de tamaño similar podrían ser el factor impulsor en la creación de galaxias más grandes. Esto significaría que el proceso de formación de galaxias podría avanzar mucho más rápido de lo que se creía anteriormente.
En cualquier caso, lo que deberíamos ver son galaxias masivas bien formadas con características como discos, barras y brazos espirales mucho más lejos en el espacio y, por lo tanto, más atrás en el tiempo.
Da la casualidad de que eso es exactamente lo que los astrónomos están empezando a encontrar.
¡Debería haberle puesto un anillo!
Una de esas líneas de evidencia para una forma más rápida de formación galáctica o un comienzo mucho más temprano, viene en la distintiva forma de rosquilla de una galaxia anular de colisión descubierta a 11 mil millones de años luz de distancia. Esto significa que este anillo cósmico de fuego similar en masa a la Vía Láctea y notable por el enorme agujero en su centro, que es tres millones de veces la distancia entre la Tierra y el Sol, existía cuando el Universo tenía solo 2.700 millones de años. Mucho antes de lo previsto.
Impresión de un artista de la galaxia anular R5519 (James Josephides, Swinburne Astronomy Productions)
El Dr. Tiantian Yuan, del Centro de Excelencia ARC para Astrofísica de Todo el Cielo en 3 Dimensiones (ASTRO 3D) de Australia, formó parte de un grupo que le dio con éxito una edad a la galaxia del anillo designada como R5519.
Es un objeto muy curioso, uno que nunca antes habíamos visto, definitivamente no en el Universo primitivo, explica Yuan, especialista en estudiar características galácticas como brazos espirales. R5519 parece una galaxia corona, pero no lo es.
Entonces, incluso si R5519 es sorprendente, ¿cómo implica esto que los modelos de evolución de galaxias podrían ser inexactos? La respuesta radica en cómo se crean las galaxias anulares de colisión como esta.
Yuan explica que el agujero en el centro de R5519 se creó cuando una galaxia similar a un disco delgado fue disparada por otra galaxia que golpeó de frente, como una bala que golpea un objetivo de papel delgado en un campo de tiro.
Cuando una galaxia golpea a la galaxia objetivo, un disco estelar delgado como una bala, de frente, provoca un pulso en el disco de la galaxia víctima, dice Yuan. Luego, el pulso induce ondas de densidad que se propagan radialmente a través de la galaxia objetivo que forma el anillo.
1. Un disco estelar delgado como objetivo o galaxia víctima. Otra galaxia se acerca en una trayectoria frontal como una bala. 2 y 3. Colisión a través del centro de la delgada galaxia objetivo. 4. La galaxia bala se mueve a medida que una perturbación se propaga a través de la galaxia objetivo. 4. La perturbación crea una estructura en forma de anillo. (James Josephides, Swinburne Astronomy Productions/Robert Lea)
Yuan explica que en algún momento los astrónomos esperaban encontrar más galaxias anulares de colisión en el universo joven, simplemente porque había más colisiones galácticas en progreso en ese momento. Descubrimos que ese no es el caso, continúa. El universo joven podría tener más colisiones y balas, pero carece de discos estelares delgados para actuar como objetivos, o eso creíamos.
Aquí es donde radica el problema, los delgados discos estelares que sirven como objetivos en este campo de tiro cósmico no se supone que existan tan temprano en la historia del Universo según los modelos cosmológicos favorecidos actualmente.
Nuestro descubrimiento implica que discos estelares delgados similares a nuestras Vías Lácteas ya se han desarrollado para algunas galaxias a una cuarta parte de la edad del universo.
Esta es una imagen compuesta de la galaxia anular R5519 compilada a partir de imágenes de un solo color tomadas por el Telescopio Espacial Hubble. (Tiantian Yuan/Telescopio Espacial Hubble)
Los hallazgos de Yuan y su equipo muestran que estructuras galácticas como discos delgados y anillos podrían formarse 3 mil millones de años después del Big Bang. El investigador apunta a otra investigación que apoya la idea de galaxias estructuradas en el Universo primitivo.
El primer paso en la formación del disco es formar un disco en un objeto dominado por la rotación, dice Yuan. Esta es la razón por la que el reciente descubrimiento del disco de Wolfe es realmente sorprendente, ya que empuja el tiempo de formación más temprano de un gran disco de gas mucho antes de lo que pensábamos anteriormente.
¿Quién le teme al lobo feroz?
El descubrimiento al que se refiere el Dr. Tiantian Yuan es la identificación de una galaxia de disco giratorio masivo cuando el Universo tenía solo 1.500 millones de años. La galaxia oficialmente llamada DLA0817g recibe el sobrenombre de Wolfe Disk en homenaje al difunto astrónomo Arthur M. Wolfe, quien especuló por primera vez sobre tales objetos en la década de 1990.
Imagen de radio de ALMA del disco de Wolfe, vista cuando el universo tenía solo el diez por ciento de su edad actual. ( ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), M. Neeleman; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello)
El hecho de que el Disco de Wolfe, que gira a velocidades tremendas de alrededor de 170 millas por segundo, exista cuando el Universo tenía solo el 10% de su edad actual, implica fuertemente un rápido crecimiento galáctico o la formación temprana de galaxias masivas.
El mensaje final del descubrimiento de una galaxia de disco masiva y de rotación rápida que se asemeja a nuestra Vía Láctea pero se formó solo 1.500 millones de años después del Big Bang, es que la formación de galaxias puede proceder lo suficientemente rápido como para generar galaxias masivas ricas en gas a principios tiempos, dice J. Xavier Prochaska, profesor de astronomía y astrofísica en la Universidad de California Sant Cruz, y parte de un equipo que descubrió el Disco de Wolfe.
El equipo detrás del descubrimiento de Wolfe Disk postula la idea de que su existencia y el hecho de que sea masivo y bien formado indican que la acumulación lenta de gas y polvo puede no ser el mecanismo de formación dominante para las galaxias. Algo mucho más rápido podría estar en juego.
La mayoría de las galaxias que encontramos en las primeras etapas del universo parecen trenes descarrilados porque experimentaron una fusión constante y, a menudo, violenta, dice Marcel Neeleman, del Instituto Max Planck de Astronomía en Heidelberg, Alemania, quien dirigió a los astrónomos. Estas fusiones calientes dificultan la formación de discos giratorios fríos bien ordenados como los que observamos en nuestro universo actual.
El disco de Wolfe visto con ALMA (a la derecha en rojo), VLA (a la izquierda en verde) y el telescopio espacial Hubble (ambas imágenes en azul). En luz de radio, ALMA observó los movimientos de la galaxia y la masa de gas y polvo atómico y el VLA midió la cantidad de masa molecular. En luz ultravioleta, el Hubble observó estrellas masivas. La imagen VLA está hecha con una resolución espacial más baja que la imagen ALMA y, por lo tanto, se ve más grande y más pixelada. ( ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), M. Neeleman; NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello; NASA/ESA Hubble)
Si el disco de Wolfe creció como resultado de la acumulación de polvo y gas frío, Prochaska explica que esto deja preguntas sin respuesta sobre su estabilidad: el desafío clave es ensamblar rápidamente una masa de gas tan grande mientras se mantiene un espacio relativamente inactivo, delgado y giratorio. disco.
Por supuesto, a veces puede ser la ausencia de algo que brinde evidencia de que una teoría o familia de teorías es inexacta, como lo ejemplifica la siguiente investigación.
Más lejos y más atrás en el tiempo: Faltan algunas de nuestras estrellas
El Telescopio Espacial Hubble (HST) permite a los astrónomos mirar hacia atrás en el tiempo cuando el Universo tenía solo 500 millones de años, lo que permite a los investigadores investigar finalmente la naturaleza de las primeras galaxias y podría generar más contradicciones a los modelos cosmológicos actuales, tal como el Disco de Wolfe. y R5519 tienen.
Los resultados entregados recientemente por el HST y examinados por un equipo de astrónomos europeos confirman la ausencia de las estrellas primitivas cuando el Universo tenía apenas 500 millones de años.
Se cree que estas estrellas tempranas llamadas estrellas de la Población III están compuestas solo de hidrógeno y helio, con pequeñas cantidades de litio y berilio, lo que refleja la abundancia de estos elementos en el Universo joven.
Esta imagen del telescopio espacial Hubble de NASA/ESA muestra el cúmulo de galaxias MACS J0416. Este es uno de los seis cúmulos estudiados por el programa Hubble Frontier Fields, que produjo las imágenes más profundas de lentes gravitacionales jamás realizadas. Los científicos utilizaron la luz intracúmulo (visible en azul) para estudiar la distribución de la materia oscura dentro del cúmulo. (NASA, ESA y M. Montes (Universidad de Nueva Gales del Sur, Sídney, Australia))
Un equipo de astrónomos dirigido por Rachana Bhatawdekar de la Agencia Espacial Europea confirmó la ausencia de esta primera generación de estrellas al buscar en el Universo tal como existió entre 500 millones de años y mil millones de años en su historia. Sus observaciones se publicaron en un artículo de 2019 con más investigaciones que se publicarán en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, además de ser discutidas en una conferencia de prensa durante la 236ª reunión de la American Astronomical Society.
Las estrellas de la población III son extremadamente calientes y masivas, por lo que tienen un color mucho más azul que las estrellas normales, dice Bhatawdekar. Por lo tanto, observamos los colores ultravioleta de nuestras galaxias para ver exactamente qué tan azules se veían.
El equipo descubrió que, aunque las galaxias que observaron eran azules, no eran lo suficientemente azules como para tener estrellas con muy pocos metales, por lo que los astrónomos se refieren a cualquier elemento más pesado que el hidrógeno y el helio, como el oxígeno, el nitrógeno, el carbono, el hierro, etc.
Lo que esto nos dice es que a pesar de que estamos viendo un Universo que tiene solo 500 millones de años, las galaxias ya se han enriquecido con una cantidad significativa de metales, Bhatawdekar. Esto esencialmente significa que las estrellas y las galaxias deben haberse formado incluso antes de este tiempo cósmico muy temprano.
Por lo tanto, las observaciones del equipo implican que las estrellas ya habían comenzado a desvanecerse y morir en este momento, arrojando elementos más pesados al Universo. Estos elementos pasarían a formar los bloques de construcción de generaciones posteriores de estrellas.
Esta pieza del rompecabezas parecería sugerir que la presencia de galaxias masivas no es un factor que surja como resultado de un rápido crecimiento, sino que los procesos de crecimiento comenzaron antes.
No encontramos evidencia de estas estrellas de Población III de primera generación en este intervalo de tiempo cósmico, explica Bhatawdekar. Estos resultados tienen profundas consecuencias astrofísicas, ya que muestran que las galaxias deben haberse formado mucho antes de lo que pensábamos.
Encontrando más evidencia de formación temprana de galaxias
Para Bhatawdekar, la investigación adicional sobre las condiciones en el Universo primitivo solo se abrirá realmente con el lanzamiento del Telescopio Espacial James Webb.
Si bien descubrimos que no hay evidencia de la existencia de estrellas de Población III en este tiempo cómico, hay muchas galaxias de baja masa/débiles en el Universo primitivo, dice ella. Esto sugiere que las primeras estrellas y las primeras galaxias debieron formarse incluso antes de que este increíble instrumento Hubble pueda sondear.
El Telescopio Espacial James Webb, cuyo lanzamiento está programado para el próximo año en 2021, mirará aún más atrás en el tiempo, cuando el Universo tenía solo 200 millones de años.
Incluso antes del lanzamiento del telescopio espacial James Webb, y como para descartar la idea de que estos resultados podrían ser una casualidad y, por lo tanto, no indicar un cambio más amplio hacia galaxias masivas anteriores, Tiantian Yuan describe más hallazgos que aún no se han publicado.
De hecho, ¡he encontrado más galaxias anulares de colisión en el universo primitivo! exclama Yuan. Hay uno genial que tiene lentes gravitacionales, lo que nos da una vista más nítida del anillo.
Puedo decirles que este nuevo anillo es mil millones de años más antiguo que R5519, y se ve muy diferente de R5519 y se parece más a los anillos de nuestro Universo cercano.
A medida que refinamos nuestras ideas sobre la evolución de las galaxias, es probable que descubramos que cuando se nos presentan dos teorías en conflicto, la verdad es la que se encuentra en algún punto intermedio. Por lo tanto, a medida que observamos el progreso actual de la formación de galaxias, las fusiones entre galaxias y las estructuras complejas en la historia del Universo, podemos encontrar que la evolución galáctica puede progresar tanto lenta como rápidamente.
Con suerte, esta combinación de modelos también brindará una receta precisa de cómo los brazos en espiral, los anillos y las barras surgen de discos delgados. Algo que falta actualmente.
Lo que significan estos descubrimientos es que estamos entrando en una nueva era en la que podemos preguntarnos cómo se formaron por primera vez las diferentes estructuras de las galaxias, explica Yuan. Las galaxias no se forman de una sola vez; algunas partes se ensamblaron primero y otras evolucionaron más tarde.
Es hora de que los modelos evolucionen al siguiente nivel de precisión y exactitud. Como un rompecabezas, cuantas más piezas revelamos en las observaciones, más desafiante es obtener los modelos teóricos correctos y más cerca estamos de comprender el dominio de la naturaleza.
Fuentes y lecturas adicionales
Yuan. T, Elagui. A, Labbé. Yo, Kacprzak. G. G, et al, Una galaxia gigante en el Universo joven con un anillo masivo, Nature Astronomy, [2020].
Neeleman. M, Prochaska. J. X, Kanekar. N, Rafaelski. M, [2020], Una galaxia de disco rotatoria masiva y fría 1500 millones de años después del Big Bang, Nature, [ https://www.nature.com/articles/s41586-020-2276-y ]
Bhatawdekar. R, Conselice. C. J, Margalef-Bentabol. B, Duncan. K, Evolución de las funciones de masa estelar de la galaxia y funciones de luminosidad UV en z = 69 en Hubble Frontier Fields, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society , volumen 486, número 3, julio de 2019, páginas 38053830, [2019], https:/ /doi.org/10.1093/mnras/stz866
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