Durante mucho tiempo, la formación de las galaxias elípticas ha sido un misterio para los astrofísicos. Estas galaxias gigantes, en forma de balón de rugby, a diferencia de las espirales como nuestra Vía Láctea, no forman nuevas estrellas y están dominadas por estrellas formadas hace más de 10 mil millones de años. Los modelos cosmológicos que describen la evolución del Universo desde el Big Bang hasta la actualidad, tenían dificultades para explicar su origen. Una de las mayores dificultades era que se creía que la formación estelar en la época en que se formaron las galaxias elípticas (hace 10 a 12 mil millones de años) ocurría dentro de grandes discos rotatorios, similares a la Vía Láctea. ¿Cómo, entonces, estas galaxias transformaban su forma de discos planos a galaxias elípticas tridimensionales?
Gracias al Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), un conjunto de radiotelescopios ubicado en Chile, hemos obtenido datos que nos permiten responder a esta pregunta. Al analizar la distribución del polvo en más de 100 galaxias distantes que sabemos que estaban formando muchas estrellas cuando el Universo tenía entre 2.2 y 5.9 mil millones de años, hemos hecho un descubrimiento crucial. El polvo indica la presencia de gas, el material a partir del cual se forman las nuevas estrellas, y nos permite estudiar las regiones dentro de una galaxia que están formando activamente nuevas estrellas.
Utilizando una nueva técnica de observación, descubrimos que el polvo en estas galaxias distantes es extremadamente compacto y no se asemeja a lo que esperaríamos de galaxias en forma de disco plano. Más aún, pudimos inferir la geometría tridimensional de las regiones que emiten polvo. Este análisis indica que la mayoría de las galaxias formadoras de estrellas en sus inicios eran realmente esféricas, en lugar de tener forma de disco. De hecho, se parecen mucho a la forma de las galaxias elípticas cercanas que observamos hoy en día. Esto cambia radicalmente la comprensión previa sobre la formación de estas galaxias.
Para interpretar estos resultados observacionales y comprender los mecanismos físicos que pudieron haber causado que el polvo y el gas se hundieran en los centros de estas galaxias distantes que formaban estrellas, recurrimos a simulaciones cosmológicas por computadora. Nuestro análisis revela que la acción simultánea de corrientes de gas frío provenientes de galaxias circundantes, junto con interacciones y fusiones de galaxias, pueden impulsar el gas y el polvo hacia núcleos compactos de formación de estrellas dentro de estas galaxias. Las simulaciones también nos muestran que este proceso fue común en el Universo temprano, proporcionando una explicación clave para la rápida formación de galaxias elípticas. Estas simulaciones validan las observaciones de ALMA y ofrecen un modelo coherente para la formación de las galaxias elípticas.
Este descubrimiento fue posible gracias a una nueva técnica para analizar las observaciones de ALMA. Los datos de ALMA son diferentes de las imágenes que estamos acostumbrados a ver de los telescopios ópticos. ALMA funciona combinando señales de múltiples antenas que trabajan juntas como un solo telescopio gigante, una técnica conocida como interferometría. Si bien permite obtener imágenes nítidas de galaxias distantes, el análisis de datos es más complejo que para las imágenes ópticas tradicionales. Nuestra nueva técnica permite mediciones más precisas de la distribución del polvo en comparación con los métodos anteriores, lo que representa un avance significativo en este campo. La utilización de nuevas técnicas de análisis de datos ha sido fundamental en este descubrimiento.
Para esta investigación, utilizamos datos de acceso abierto de ALMA acumulados durante varios años. Esto destaca el poder de los datos de código abierto, donde los científicos comparten sus hallazgos, y las colaboraciones mundiales en el impulso de los avances científicos. El acceso a datos de ALMA y la colaboración científica a nivel global han sido clave para este avance.
Las futuras observaciones con los telescopios espaciales JWST y Euclid mapearán con mayor detalle la distribución de estrellas en los ancestros distantes de las galaxias elípticas actuales. El Extremely Large Telescope (ELT), con su espejo de 39 metros de ancho, proporcionará detalles sin precedentes de los núcleos de formación de estrellas en galaxias distantes. Además, observaciones más nítidas de la dinámica de los gases con ALMA y el Very Large Telescope (VLT) revelarán cómo el gas se mueve hacia los centros de las galaxias, alimentando la formación de estrellas y dando forma a las galaxias que vemos hoy en día. El futuro de la investigación astronómica promete desentrañar aún más misterios sobre la formación y evolución de las galaxias.
En resumen, este trabajo proporciona evidencia observacional sólida y simulaciones que demuestran cómo las galaxias elípticas gigantes se forman a través de episodios intensos y de corta duración de formación estelar en el Universo temprano, descartando la idea previa de una formación a partir de discos rotatorios que luego colapsan. Este avance representa un cambio significativo en nuestra comprensión de la formación y evolución de las galaxias, gracias a la combinación de observaciones innovadoras con simulaciones por computadora y la colaboración internacional en el campo de la astrofísica.
