Los astrónomos han descubierto cuatro galaxias muy lejanas y masivas que datan de hace más de 10.000 millones de años, y que se enfrentan a las actuales teorías sobre la formación de tales estructuras.

Las teorías actuales sobre la formación de las galaxias están basadas en la fusión jerárquica de entidades menores en estructuras cada vez más grandes, comenzando con un tamaño aproximado al de un cúmulo globular y finalizando con racimos de galaxias. De acuerdo con este escenario, se asume que no existían galaxias masivas en el universo joven.

Sin embargo, ahora podría suceder que esta visión tuviera que ser revisada. Utilizando el instrumento multi-modo FORS2 en el Telescopio Muy Grande en Paranal, un equipo de astrónomos italianos ha identificado cuatro galaxias remotas que son mucho más masivas que nuestra Vía Láctea, e incluso tan masivas como las mayores presentes en nuestro universo actual. Esas galaxias deben haberse formado cuando el universo tenía apenas 2.000 millones de años de edad, es decir, hace unos 12.000 millones de años.

Los objetos recientemente descubiertos pueden ser miembros de una población de viejas galaxias masivas que no había sido detectada hasta la fecha.

La existencia de tales sistemas muestra que la formación de galaxias elípticas masivas fue mucho más rápida en el universo joven de lo que se esperaba según la teoría actual.

Fusión Jerárquica

Las galaxias son como islas en el universo, compuestas tanto por estrellas como por nubes de gas y polvo. Aparecen en formas y tamaños diferentes. Generalmente, los astrónomos distinguen entre galaxias espirales (como nuestra propia Vía Láctea, la NGC 1232 o la famosa galaxia de Andrómeda) y galaxias elípticas, conteniendo estas últimas principalmente estrellas viejas y presentando muy poco gas o polvo. Algunas galaxias presentan formas intermedias entre espirales y elípticas, y se las conoce como galaxias lenticulares o esferoidales.

Las galaxias no difieren solamente en su forma, sino también en su tamaño: algunas pueden ser tan “livianas” como un cúmulo globular de nuestra Vía Láctea (es dccir, conteniendo solamente el equivalente de unos pocos millones de Soles), mientras que otras pueden ser más masivas que un billón (10¹²) de Soles. En el presente, más de la mitad de las estrellas del universo se localizan en galaxias esferoidales masivas.

Una de las principales cuestiones abiertas de la astrofísica y la cosmología modernas es cómo y cuándo se formaron y evolucionaron las galaxias, a partir del gas primordial que llenaba el universo temprano. En la más popular teoría actual, las galaxias del universo local son el resultado de un proceso relativamente lento donde galaxias pequeñas y poco masivas se van uniendo para formar gradualmente galaxias más grandes y más masivas. En este escenario, llamado “fusión jerárquica”, el universo joven estaba poblado por galaxias pequeñas y de poca masa, mientras que el universo actual contiene galaxias grandes, masivas y viejas, lo último en formarse en el acto final de un lento proceso de acumulación.

Si este escenario fuera verdadero, entonces no podrían encontrarse galaxias elípticas masivas en el universo joven. O, en otras palabras, y dada la velocidad finita de la luz, no deberían existir galaxias masivas muy lejos de nosotros. Y, de hecho, hasta ahora no se conocía ninguna galaxia elíptica más lejana que que una radio-galaxia con un corrimiento al rojo (Z) de 1,55, descubierta hace casi diez años.

La Investigación K20

Para comprender mejor el proceso de formación de las galaxias y para verificar que el escenario de la fusión jerárquica es válido, un equipo de astrónomos italianos y de ESO utilizó el Telescopio Muy Grande (VTL = Very Large Telescope) de ESO como una “máquina del tiempo” para realizar una búsqueda de galaxias elípticas muy remotas. Esto no es algo trivial. Las galaxias elípticas distantes, con su contenido de estrellas rojas y frías, deberían ser objetos muy tenues en las longitudes de onda de luz visible, ya que la mayor parte de su luz está corrida hacia la parte infrarroja del espectro. Así, las galaxias elípticas remotas se cuentan entre los blancos observacionales más problemáticos aún para los grandes telescopios; esa es la razón por la cual el récord de Z = 1,55 ha persistido por tanto tiempo.

Pero este reto no detuvo a los investigadores. Obtuvieron espectroscopía óptica profunda con el instrumento multi-modo FORS2 del VTL para un muestreo de 546 objetos tenues en un área celeste de 52 arcominutos² (o sea aproximadamente un décimo del área de la luna llena), conocido como el campo K20, y que parcialmente se superpone con el área GOODS-Sur. Su perseverancia rindió frutos, y fueron recompensados con el descubrimiento de cuatro galaxias masivas muy viejas, con “Z” de entre 1,6 y 1,9. Estas galaxias son vistas cuando el universo tenía solamente un 25% de su presente edad de 13.700 millones de años.

Con una de las galaxias, el equipo K20 tuvo también el beneficio de la base de datos de los espectros de disponibilidad pública del área GOODS-Sur tomados por el equipo ESO/GOODS.

Una Nueva Población de Galaxias

Así, las galaxias recién descubiertas son vistas cuando el universo tenía unos 3.500 millones de años, es decir, hace unos 10.000 millones de años. Pero de acuerdo con los espectros obtenidos, parece que estas galaxias contienen estrellas con edades de entre 1.000 y 2.000 millones de años. Esto implica que las galaxias debieron formarse en una época correspondientemente más temprana, y que esencialmente deben haber completado su formación en un momento en que el universo tenía solamente de 1.500 a 2.500 millones de años de edad.

Parecería que las galaxias tienen masas que exceden los 100.000 millones de masas solares, y que por lo tanto son de un tamaño similar al de las más masivas galaxias de nuestro universo actual. Imágenes complementarias obtenidas por el Telescopio Espacial Hubble en el marco de la investigación GOODS (Great Observatories Origins Deep Survey = Investigación Profunda sobre Orígenes de los Grandes Observatorios) muestran que esas galaxias tienen estructuras y formas más o menos idénticas a las de las galaxias elípticas masivas actuales.

Por lo tanto, las recientes observaciones han revelado una nueva población de galaxias muy antiguas y muy masivas.

La existencia de galaxias esferoidales masivas y viejas como ésas en el universo joven muestra que la formación de las galaxias elípticas masivas de hoy en día comenzó mucho antes y fue mucho más rápida que lo predicho por la teoría de la fusión jerárquica. Según dice Andrea Cimmati (de INAF, Firenze, Italia), líder del equipo: “Nuestro nuevo estudio genera preguntas fundamentales sobre nuestra comprensión y conocimiento de los procesos que regularon la génesis y la historia evolutiva del universo y de sus estructuras”. 

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