La formación de galaxias en el universo sigue, en teoría, unos pasos bastante simples. Empieza con galaxias pequeñas que van creciendo cada vez más hasta que llegan a ser las galaxias gigantes que vemos en el universo actual, como nuestra Vía Láctea. Algo simple, ¿no?
Pues no ocurre así exactamente en el caso de una clase particular de galaxias elípticas, que son enormes grupos esféricos de estrellas sin una estructura definida. Con los auspicios de la Unión Europea, un equipo de investigadores se dispone a descubrir el origen de estas galaxias y a resolver más misterios del universo.
Para ello, han viajado atrás en el tiempo y han hecho uso de potentes telescopios capaces de seguir la luz hasta recovecos remotos del universo. Ello ha permitido a los científicos observar las galaxias tal y como eran en el pasado, incluso hace miles de millones de años.
“Las galaxias son el asta de la bandera del universo. Son el origen de todo”, comentó Sune Toft, cosmólogo del Instituto Niels Bohr de Dinamarca. “Conocer en detalle los contextos en que se formaron es la única manera de entender los inicios del universo y de dónde venimos”.
Toft dirigió el proyecto europeo ConTExt del 2015 al 2021. Su objetivo era observar algunas de las galaxias elípticas más antiguas, remontándose hasta los primeros 2.000 millones de años de la historia del universo, que cuenta con 13.800 millones de años.
Viajar en el tiempo a confines remotos: todavía sin respuestas
Pese a que ahora los investigadores cuentan con más información sobre las galaxias elípticas, estas siguen siendo todo un misterio. “Aunque se conozcan desde hace muchos años, sigue siendo un misterio cómo se forman, dado que, en el universo local, todas ellas son muy antiguas y están muertas”, afirmó Toft.
La asunción en la que se basa su investigación es que, si se investiga cada vez más atrás en el tiempo, observando galaxias a miles de millones de años luz, en algún momento será posible empezar a vislumbrar a los progenitores de estas galaxias y a explicar cómo pudieron crecer hasta hacerse tan enormes.
“Pero, por muy atrás que nos remontásemos en nuestras observaciones, seguían pareciendo galaxias antiguas y muertas. No presentan prácticamente formación estelar”, indicó Toft, refiriéndose al proceso central de la evolución de las galaxias. Esto quiere decir que las galaxias deben de haber crecido muy rápidamente en el universo primitivo. Aun así, seguimos sin saber exactamente cómo y cuándo.
Y ello plantea otro enigma: si las galaxias crecieron rápidamente, ¿por qué dejaron de hacerlo? ¿Y eso qué supuso para nuestra concepción de la estructura jerárquica de las galaxias en el universo, que consta de estrellas, sistemas planetarios, cúmulos estelares y galaxias? “Se supone que las galaxias pequeñas se forman primero; entonces, ¿cómo es que estas galaxias masivas fueron las primeras en formarse?”, planteó Toft.
Formación estelar
Su hipótesis es que estas galaxias podrían haber experimentado una formación estelar intensa a principios de su historia, convirtiéndose en lo que se conoce como galaxias con brote estelar. Las galaxias con brote estelar presentan cantidades sumamente densas de polvo y gas y pueden formar estrellas con una masa miles de veces mayor que nuestro Sol cada año. Como comparación, nuestra Vía Láctea forma una masa solar nueva al año, de media.
Toft se puso manos a la obra con un telescopio situado en Chile llamado Atacama Large Millimeter Array, así como con los telescopios espaciales Hubble y Spitzer, que orbitaban la Tierra en ese momento. Descubrió que, entre el primer y segundo millar de millones de años tras el Big Bang, “había suficientes galaxias de formación estelar como para convertirse en las galaxias muertas”. Estas galaxias eran densas y compactas y se parecían a los núcleos de las galaxias elípticas que observamos hoy.
El trabajo de Toft se basó en la premisa de que estas galaxias elípticas progenitoras se formaron rápidamente en el universo antes de que algo detuviese su formación estelar. Más tarde, durante los siguientes 10.000 millones de años, más o menos, estas galaxias acumularon gradualmente más estrellas, engullendo galaxias más pequeñas, cuyas estrellas se sumaron a sus regiones periféricas. Por ende, las galaxias elípticas seguían siendo antiguas y estando muertas, pero todavía podían crecer y llegar a ser inmensas.
El crecimiento temprano de las elípticas posiblemente fue causado por fusiones de galaxias que desataron la formación estelar. “Dos galaxias grandes colisionan y el gas se comprime en el centro de la colisión”, explicó Toft. “Es lo que hace falta para tener unos índices de formación estelar muy elevados”.
Pero lo que todavía no estaba claro era cómo estas galaxias se apagaron. ¿Por qué dejaron de formar estrellas tan rápido y se acabaron convirtiendo en las galaxias muertas que vemos hoy en día?
El apagado
Sirio Belli, astrónomo de la Universidad de Bolonia, en Italia, investiga este problema en el marco de su proyecto Red Cardinal, una iniciativa financiada con fondos de la Unión Europea que comenzó en 2023 y proseguirá hasta 2028.
Con el potente telescopio espacial James Webb (JWST), que orbita alrededor del Sol, rastrea estas galaxias primitivas como nunca antes se había hecho. La idea incipiente es que los agujeros negros que se encuentran en los centros de estas galaxias son los responsables de su evolución. En el presente, casi todas las galaxias, incluida la nuestra, contienen en su centro un agujero negro supermasivo; un enorme objeto cuya masa puede ser entre millones y miles de millones de veces la de nuestro Sol. Estos agujeros negros impulsan la formación y evolución de las galaxias, y combustionan y expulsan gas y polvo durante toda la historia de una galaxia.
Belli ha descubierto que estos agujeros negros también podrían ser los responsables de que se interrumpiese la formación estelar en las galaxias primitivas, debido a un proceso conocido como apagado (quenching).
En abril de 2024, su equipo utilizó el JWST para informar sobre el descubrimiento de una galaxia masiva que estaba en proceso de apagado más o menos 2.600 millones de años después del Big Bang. “Ha sido una afortunada coincidencia poder observar esta galaxia justo durante su apagado”, comentó.
La galaxia parecía haber estado creciendo hasta hace poco. “Simplemente, ha dejado de formar estrellas”, afirmó Belli. “Al mismo tiempo, descubrimos que salían poderosos vientos de la galaxia. Pensamos que se debe al agujero negro supermasivo que se encuentra en su centro”.
La idea, según Belli, es que el agujero negro se volvió extremamente activo, lo que “expulsó el gas de la galaxia”. “Por eso, ya no hay más gas para formar nuevas estrellas. Es como un coche que se queda sin gasolina”.
Lo que no queda claro es la razón exacta por la que el agujero negro entró en actividad. Una posibilidad es que, cuando el agujero negro engulle suficiente material y adquiere la suficiente masa, de repente empieza a emitir mucha energía, causando el apagado.
“Creemos que, una vez las galaxias alcanzan una determinada masa, 100.000 millones de masas solares, todas ellas acaban apagándose”, informó Belli. “No observamos galaxias masivas en el universo actual que todavía formen estrellas”.
Un telescopio extremadamente grande para seguir investigando
Podrían llegar más respuestas de la mano de nuevos telescopios como el Telescopio Extremadamente Grande de Europa (ELT), que se construye en Chile y que empezará sus observaciones en 2028.
“Con el ELT podemos observar en detalle el interior de estas galaxias” en el universo primitivo, señaló Belli, algo que el JWST no puede ofrecer.
Esto indicaría a los investigadores el índice general de formación estelar, pero también “dónde se forman las estrellas”, comentó. “Si el ELT funciona como promete, será una pasada”. Determinar cómo funciona el proceso de apagado es crucial para resolver el enigma de por qué las galaxias mueren, una cuestión que sigue dejando perplejos a los científicos.
“No debería ser posible, porque cuando una galaxia se encuentra en el universo primitivo, está llena de gas”, señaló Toft. “¿Cómo se pasa de formar miles de masas solares al año a nada? Si queremos demostrar que los agujeros negros son los responsables, tenemos que encontrar galaxias en pleno proceso de apagado”. Si llegamos a comprenderlo, sabremos cómo llegó a ser el cosmos tal y como hoy lo conocemos.
Las investigaciones descritas en este artículo han sido financiadas por el Consejo Europeo de Investigación (CEI). Las opiniones de los entrevistados no reflejan necesariamente la de la Comisión Europea. Si le ha gustado el artículo, puede compartirlo en sus redes sociales.
Este artículo apareció originalmente en Horizon, la revista de investigación e innovación de la Unión Europea.
