Galaxias elípticas: La paradoja de las primeras galaxias gigantes
Sólo unos pocos miles de millones de años después del Big Bang hubo un sorprendente número de enormes galaxias elípticas, en realidad la etapa final de un proceso de fusión mucho más duradero. Las observaciones y simulaciones por computadora del joven cúmulo de galaxias SPT2349-56 ahora muestran cómo docenas de galaxias podrían fusionarse rápidamente en un solo gigante debido a fuertes brazos de marea, significativamente más rápido de lo que predijeron los modelos clásicos.
Sólo unos pocos miles de millones de años después del Big Bang se formaron los primeros cúmulos de galaxias jóvenes, que más tarde dieron lugar a grandes cúmulos de galaxias. La imagen del artista muestra el cúmulo en formación SPT2349-56 con galaxias en interacción y gas calentado por mareas (naranja) en su fase de formación turbulenta.
El universo primitivo presenta continuamente grandes desafíos a los astrónomos. Las observaciones de galaxias masivas y cúmulos de galaxias demasiado desarrollados para su época ya no son una excepción. Según los modelos teóricos clásicos de desarrollo, estas estructuras se forman jerárquicamente y a lo largo de varios miles de millones de años: las galaxias jóvenes con formación estelar activa se van agrupando lentamente mediante interacciones gravitacionales en estructuras cada vez más grandes hasta formar los precursores de los primeros cúmulos de galaxias (protocúmulos). Según hipótesis anteriores, a lo largo de eones de años, acaban fusionándose para formar enormes galaxias elípticas. Sin embargo, las observaciones muestran lo contrario: ya existen galaxias elípticas sorprendentemente grandes con poblaciones estelares más antiguas unos pocos miles de millones de años después del Big Bang; Aún no está claro cómo pudieron haberse formado en períodos de tiempo tan cortos en términos astronómicos.
Un equipo dirigido por el astrónomo Nikolaus Sulzenauer del Instituto Max Planck de Radioastronomía de Bonn ha logrado importantes avances en esta cuestión: al examinar el joven cúmulo de galaxias SPT2349-56 en la constelación austral de Phoenix, el equipo utilizó datos de la red de radiotelescopios ALMA para demostrar que las galaxias involucradas podrían fusionarse en una única galaxia elíptica gigante en tan solo 300 millones de años. Para ello, las galaxias involucradas deben liberar enormes cantidades de energía y momento angular. Las simulaciones numéricas muestran que la formación de enormes brazos de marea y ondas de choque podría permitir el llamado colapso monolítico. Los flujos de gas también actúan como vías de transporte para transportar elementos más pesados como el carbono desde el interior de las galaxias al espacio entre ellas, resolviendo otro misterio. El equipo publicó los resultados en la revista especializada “The Astrophysical Journal”.
Mapa submilimétrico del protocúmulo SPT2349-56 | En el infrarrojo lejano, a una longitud de onda de 158 micrómetros, se puede observar la emisión de carbono monoionizado (C II). Los símbolos de estrellas marcan los centros de galaxias individuales, mientras que los contornos naranjas resaltan las estructuras en la región interior. Los colores más claros corresponden a una mayor intensidad de radiación. Se pueden ver claramente los brazos de marea y los “cúmulos” de gas más brillantes dispuestos entre y alrededor de las cuatro galaxias centrales. También forman conexiones con galaxias más distantes, algunas de las cuales son más grandes que ellas. Brillan unas diez veces más de lo esperado.
SPT2349-56 solo se descubrió en 2018 con un corrimiento al rojo de Por ejemplo = 4,3 descubierto: se nos presenta el cúmulo como existente aproximadamente 1.400 millones de años después del Big Bang. La densidad de materia en su interior es excepcionalmente alta: en un radio de poco más de 400.000 años luz se encuentran unas 40 galaxias ricas en gas, lo que indica que esta zona se desacopló muy pronto de la expansión cósmica. SPT2349-56 también ostenta el récord de la tasa más alta conocida de formación de estrellas en el universo temprano. Mientras que en la Vía Láctea sólo se forman tres o cuatro estrellas al año, sólo las cuatro galaxias de la región central del cúmulo producen una nueva estrella cada 40 minutos.
El equipo ha identificado ahora enormes brazos de gas conectados compuestos de carbono ionizado alrededor del cuarteto de galaxias, que abarcan una distancia de alrededor de 200.000 años luz, mucho más grande que el diámetro de nuestra galaxia. Son creados por fuertes fuerzas de marea durante colisiones y fusiones en el centro extremadamente denso de la estructura. Las galaxias internas emiten enormes cantidades de gas al entorno circundante a velocidades de hasta 300 kilómetros por segundo. Allí encuentra capas de polvo más frías. Como resultado, se forman enormes ondas de choque que calientan significativamente el medio circundante que contiene carbono. Brilla unas diez veces más en el rango infrarrojo y submilimétrico de lo que se esperaría de emisiones puras de polvo. Como perlas en un hilo, aparecen regiones de alta intensidad de radiación dentro de los brazos de marea, que abarcan aproximadamente 16.000 años luz. Allí la energía cinética se convierte en calor; En realidad, el proceso drena energía del sistema y actúa como un freno cósmico. Combinado con la fricción dinámica, las galaxias pierden suficiente momento angular y energía para poder caer más rápidamente en su centro de gravedad común. Sólo con la ayuda de estas potentes fuentes de emisión el equipo pudo medir con precisión el movimiento del gas.
Simulación de la evolución temporal de SPT2349−56 | La secuencia de imágenes muestra instantáneas de una simulación numérica que visualiza el colapso monolítico del núcleo del protocúmulo durante un período de 2,23 mil millones de años, comenzando hace 10 millones de años (a). Ya después de unos 200 millones de años (secciones d-f), numerosas corrientes de marea de entre 60.000 y 160.000 años luz de longitud son arrancadas de las galaxias como resultado de violentas colisiones galácticas. Estas estructuras transportan material carbonoso al medio circundante. Cada sección muestra una sección de cielo con una longitud lateral de casi 280.000 años luz. La distancia especificada de 30 kiloparsecs (kpc) corresponde a aproximadamente 100.000 años luz. La representación es una composición de color falso RGB; Se utilizaron filtros con longitudes de onda de 356 nanómetros (rojo), 277 nanómetros (verde) y 200 nanómetros (azul).
Para sorpresa del equipo, los brillantes «grupos de emisiones» están conectados con otras 20 galaxias en las regiones más exteriores del protocúmulo. El equipo sospecha que este es el comienzo de un proceso de fusión en cascada, al final del cual se formará una enorme galaxia elíptica, mucho antes de lo postulado por los modelos clásicos de crecimiento jerárquico. Varias interacciones, como las que ocurren entre ondas de choque, aún no están claras; Los hallazgos aún pueden proporcionar una solución a la antigua paradoja de la existencia temprana de galaxias elípticas masivas en cúmulos de galaxias distantes como XLSSC 122.
Sulzenauer, N. et al., The Astrophysical Journal 10.3847/1538–4357/ae2ff0, 2026
Permita que Javascript mantenga la funcionalidad completa de Spektrum.de.
