1. Los ladrillos del universo

Las galaxias se consideran los ladrillos fundamentales a partir de los que se estructura el universo, al igual que las células son consideradas como las piezas básicas de las que se compone un organismo vivo, aunque, a su vez, también puedan descomponerse en otros elementos que las formen. Hoy en día se tiene un conocimiento bastante preciso de los distintos tipos de galaxias y de sus distintas componentes. La mayoría de las galaxias tienen una forma espiral, ya que las estrellas siguen un patrón de varios brazos espirales en torno a un centro común reconocible en las imágenes. Sin embargo, la mayoría de la materia de las galaxias se concentra en una esfera con diámetros de decenas de miles de años  luz, que recibe el nombre de halo, compuesta en su mayor parte por la escurridiza, e incomprensible todavía hoy para nosotros, materia oscura. En ese halo esférico suelen observarse poblaciones muy viejas de estrellas, agrupadas en enjambres de decenas de miles conocidos como cúmulos globulares. Además, las galaxias espirales muestran en su centro un agujero negro con masas equivalentes a millones de veces la de nuestro Sol. También en la zona central se observa un bulbo de estrellas de distintas poblaciones, que se extienden por encima del disco. Ese disco, por otra parte, suele extenderse mucho más allá de lo que parecen trazar las estrellas, ya que también está compuesto de gas neutro que llega a distancias de varias veces el radio aparente del disco.

2. La formación de estructuras en las galaxias

Aún no se entienden muy bien los mecanismos a través de los que se forman las estructuras en que se concentran las estrellas en una galaxia espiral a partir del gas concentrado en torno a los halos de materia oscura, pero distinguimos varios factores fundamentales: la caída del gas hasta el plano de rotación; la velocidad a la que el gas se consume para formar nuevas estrellas; la atracción gravitatoria y la aceleración del gas hacia el agujero negro supermasivo en el centro; el aporte constante de gas desde el exterior de la galaxia a través de la llamada red cósmica y la fusión con otras galaxias satélite mucho más pequeñas.
La interacción entre galaxias no es un mecanismo menor en la evolución de estos objetos, como demuestra el hecho de que en las regiones del universo donde hay un mayor número de galaxias, los cúmulos galácticos, la mayoría de las galaxias tienen una forma elíptica, donde se ha perdido toda estructura espiral, las estrellas siguen trayectorias aleatorias no confinadas en un plano y se ha perdido todo vestigio de gas y formación estelar. Nuestra propia galaxia, que hasta ahora ha mantenido su forma espiral porque está situada en un entorno poco poblado,  aunque no exento de pasadas y numerosas fusiones con galaxias enanas, acabará fusionándose con Andrómeda, otra galaxia espiral de tamaño similar. Andrómeda se sitúa a más de dos millones de años luz, pero se acerca hacia nosotros a más de doscientos kilómetros por segundo, lo que acabará produciendo dentro de unos cinco mil millones de años un encuentro entre ambas que, lejos de dar lugar a colisiones entre estrellas, sí alterará el patrón espiral de los dos objetos y el remanente de gas será posiblemente expulsado para acabar dando lugar a una sola galaxia elíptica con el doble de masa. La propia galaxia de Andrómeda quizá sufrió en su pasado una fusión de carácter no suficientemente grande para alterar su disco, pero sí para que se aprecien en su centro dos agujeros negros supermasivos en vez de uno.

3. Las primeras galaxias

Por todo ello, para intentar comprender cómo se forman y cómo evolucionan las galaxias cobra gran importancia poder observarlas en el momento de su formación y así poder entender mejor cuáles de estos elementos intervienen de una manera más relevante. La formación de las primeras galaxias precede a un momento de gran interés en la evolución misma del universo: la llamada reionización. Este proceso produjo que el gas que quedaba entre las incipientes galaxias, predominantemente hidrógeno neutro formado cuando el universo se había enfriado lo bastante tras el Big Bang, se volviera a ionizar por efecto de la radiación de las primeras generaciones de estrellas muy masivas y la radiación procedente de los primeros agujeros negros supermasivos en el centro de los cuásares. De esta forma se terminaba con la llamada edad oscura, durante la que el gas se concentró en torno a los halos de materia oscura para formar las primeras galaxias, pero rodeadas de una gran cantidad de gas neutro que absorbía gran parte de la radiación.

4. Las análogas de las primeras galaxias

Otra manera de estudiar las primeras galaxias, al menos en tanto no dispongamos de grandes telescopios que permitan la observación directa de las edades oscuras, es el estudio de galaxias análogas a las primeras galaxias, aunque en épocas ligeramente posteriores a la de la reionización, que se calcula en torno a unos setecientos millones de años después del Big Bang. Uno de los estudios más recientes que desvela muchas de las propiedades de estos análogos en épocas no mucho más tardías a la de la formación de todas las galaxias, solo dos mil millones de años después del Big Bang, ha sido publicado recientemente en Nature Astronomy, liderado por Ricardo Amorín, del Instituto Kavli de Cosmología y en el que he participado.
El artículo describe las propiedades de diez galaxias observadas en esta época posterior a la reionización (imagen superior) pero con propiedades que, se piensa, son muy similares a las de las primeras galaxias, ya que se encuentran en un momento en el que están formando estrellas a un ritmo mucho mayor al de las galaxias con una masa similar en otras épocas del universo. Conviene recordar que podemos observar las propiedades de las galaxias en estas u otras épocas de la evolución del universo porque la luz que nos llega desde ellas es finita y tarda casi doce mil millones de años en alcanzarnos, por lo que tenemos acceso a una valiosa instantánea de cómo eran en el preciso instante en el que emitieron su luz. Consecuentemente, el estado evolutivo de esas mismas galaxias hoy en día será muy diferente, aunque para poder saberlo habría que esperar no solo los doce mil millones de años que ya ha tardado la luz en mostrarnos cómo eran en las primeras fases de su evolución, sino mucho más a causa de la constante expansión del universo.

Otro de los indicios que muestran que estas galaxias son jóvenes procede de los espectros tomados por VIMOS, uno de los instrumentos del VLT (Very Large Telescope, ESO) situado en Chile. El análisis de las líneas emitidas por iones de oxígeno y carbono revela que estas galaxias son muy pobres en estos elementos comparadas con galaxias parecidas, lo que demuestra que han evolucionado poco: las distintas generaciones de estrellas no han podido expulsar los elementos pesados creados en su interior una vez consumidos los elementos ligeros y haber explotado como supernovas. Otra característica notable del análisis de los espectros es que se pueden medir las velocidades con que el gas es expulsado de la galaxia a causa de los fuertes vientos estelares y las explosiones de supernova que siempre acompañan a los fenómenos de formación estelar masiva. Esos movimientos del gas son compatibles con una polución de metales del medio intergaláctico y la posible inhibición de más procesos de formación estelar en las nubes de gas que se encuentran o están cayendo en la galaxia.
Otra fuente de información en el análisis de estas galaxias la han aportado imágenes de gran resolución tomadas con el telescopio espacial Hubble. En ellas se observan morfologías complejas, lejos de la usual forma espiral o elíptica que se observa en galaxias de épocas posteriores. Esa morfología indica el papel activo que la fusión entre galaxias, la caída de gas desde fuera de los objetos y la expulsión del gas debido a vientos tiene en la formación de los discos.
Todas estas características hacen pensar que el proceso de modelado de las galaxias para formar sus elementos no se produjo a un ritmo lento y sostenido, sino que las fuerzas que intervinieron en su formación actúan de forma violenta, irregular y, a veces, simultánea. Eso mismo puede ser incluso más acentuado cuando los ambientes en que viven las galaxias son tan densos y poblados que se producen encuentros y barridos de gas con gran vigor y frecuencia. Sin duda el papel de las nuevas instalaciones y observatorios espaciales que van a estar disponibles en la próxima década nos ayudarán a confirmar si este escenario también se produce justo a las puertas de las edades oscuras, momento en que la mayoría de las galaxias, incluso la nuestra, se formaron.