revista de divulgación del Instituto de Astrofísica de Andalucía
La formación de galaxias en el universo
Hace aproximadamente 13.800 millones de años, se produjo el Big Bang: todo nuestro universo estaba contenido en un punto inimaginablemente denso, mucho más pequeño que una partícula subatómica, y, en cuestión de billonésimas de segundo, se expandió de forma colosal. En estos instantes iniciales, la temperatura era tan elevada que toda la materia estaba descompuesta y solo se podían encontrar núcleos de hidrógeno, helio, electrones libres y radiación (cuya partícula elemental es el fotón). Aun así, la densidad de partículas de materia era tal que un fotón era incapaz de recorrer grandes distancias sin toparse con electrones o núcleos de materia: había una interacción constante entre materia y radiación. Gracias a la expansión continua del universo, cuando este poseía unos 380.000 años se produjo un descenso de las temperaturas que permitió que los electrones fuesen “atrapados” por los núcleos y, de esta manera, surgieron los primeros átomos de hidrógeno y helio. Esto a su vez supuso una reducción del número de partículas de materia con las que interaccionaban los fotones en su camino, lo que les permitió viajar ininterrumpidamente. Desde entonces, estos fotones han continuado su recorrido e impregnan todo el universo en forma de una radiación fósil muy uniforme, conocida como Radiación Cósmica de Fondo (o Fondo Cósmico de Microondas, CMB).
El cosmos ha cambiado mucho desde la sopa homogénea e isótropa de materia que era entonces hasta convertirse en el universo poblado de estructuras que observamos hoy. La teoría más popular actualmente postula que diminutas fluctuaciones en la densidad de la materia original fueron las semillas a partir de las cuales estas estructuras comenzaron a crecer. Es decir, en la sopa homogénea había “grumos” de densidad mayor (un 0,01% mayor) alrededor de los cuales se acumulaba materia debido a los efectos de la gravedad y esta acumulación dio lugar a las galaxias, definidas como conjuntos de estrellas, gas, polvo y materia oscura que se mantienen unidos por efecto de la atracción gravitatoria. Hoy día, para explicar cómo se forman, prevalece lo que se conoce como el Modelo Jerárquico.
Las primeras galaxias no eran tan grandes como las espirales y elípticas que observamos en el universo cercano, sino que eran menores y presentaban formas irregulares; a medida que el cosmos evolucionaba, comenzaron a crecer al fusionarse unas con otras. Este crecimiento es continuo hasta una época, unos mil o dos mil millones de años después del Big Bang, que se conoce como Mediodía Cósmico, donde se produjo el máximo de formación estelar del universo. Es en este momento cuando se forman estrellas a mayor velocidad y los discos espirales se desarrollan. Tras este punto álgido, las galaxias empiezan a envejecer y se reduce la tasa de formación de estrellas. Asimismo, existe un escenario algo distinto, que se da en los entornos más densos, en cúmulos de galaxias, donde otro mecanismo permite su crecimiento: enormes galaxias colisionan entre sí, fusionándose, y se forman galaxias elípticas.
Existen principalmente tres estrategias para estudiar la formación de galaxias. En primer lugar, en galaxias muy locales, como la Vía Láctea, se buscan vestigios del pasado, fósiles galácticos, y se deduce cómo se formaron. Por otra parte, se estudian galaxias formadas entre unos mil y dos mil millones de años después del Big Bang, durante el Mediodía Cósmico. Estas galaxias jóvenes eran más pequeñas y menos metálicas y, analizándolas, se puede deducir su evolución y se extrapola cómo surgieron. Se trata de la forma más común de estudiar la formación galáctica en nuestros tiempos. Debido a las limitaciones de los telescopios actuales, no se ha tenido acceso a las primeras galaxias y estrellas, creadas escasos trescientos o cuatrocientos millones de años tras la gran explosión, para observar directamente sus orígenes. No obstante, gracias al telescopio espacial Webb, se cree que pronto será posible alcanzar esta primera generación, lo que aclarará muchas de las incertidumbres que rodean la formación de galaxias.
En astronomía, cuanto más lejos miramos, más atrás en el tiempo nos remontamos. Al observar un cuerpo celeste, no vemos su presente, pues la luz que emite tarda un tiempo en alcanzarnos. Por ejemplo, cada vez que observamos la Luna, la vemos como era hace 1.3 segundos. En el caso del Sol, observamos su apariencia de hace 8 minutos y 17 segundos. Así, si la luz de una galaxia tarda en alcanzarnos 13.200 millones de años, la estaríamos visualizando tal y como era en el universo primitivo.
Los equipos actuales no han permitido aún observar la primera etapa de formación de estrellas y galaxias y, sin poder mirarlas directamente, las teorías de formación se basan en simulaciones y extrapolación de datos obtenidos al estudiar estas galaxias primitivas. Por ello, existen dudas sobre qué se forma primero, las estrellas o las galaxias. Es decir, ¿primero se forman las galaxias y después surgen las estrellas, ya dentro de ellas? ¿O las estrellas se van desarrollando “sueltas” y las galaxias las atraen posteriormente? Tampoco se sabe con certeza qué crece primero en una galaxia primigenia, o a qué ritmo absorbe galaxias más pequeñas. Lo que sí se sabe es que estas crecen y crecen hasta el Mediodía Cósmico y luego desaceleran su ritmo de formación estelar.
Otra incertidumbre es el papel que juegan los agujeros negros supermasivos de sus centros, que varían notablemente en tamaño. Estos agujeros negros son especialmente relevantes en las galaxias activas, que cuentan con un disco de acreción y emiten gran cantidad de radiación. La radiación creada en estos núcleos genera vientos y mecanismos que hacen que el gas deje de condensarse, regulando la manera en la que la galaxia crece: puede frenar la formación estelar o, si se detiene, la puede acelerar. Y, aunque se piensa que es un elemento muy relevante, se desconoce cómo influye exactamente este agujero negro activo en el crecimiento de galaxias. Las galaxias satélite son otro punto de interés. En las dos últimas décadas se ha producido una explosión en la detección de estas galaxias en el Grupo Local, al que pertenece la Vía Láctea, pero, a pesar de los nuevos descubrimientos, el número aún no se halla en concordancia con las predicciones teóricas, que sugieren un número muy superior. Se puede argumentar que esto se debe a que, muchas veces, las galaxias satélite no cuentan con gran cantidad de estrellas. Son simples halos de materia oscura y, por tanto, indetectables.
El telescopio James Webb es una revolución y gracias a él se van a poder descifrar muchas de las incógnitas actuales. Con un espejo mayor que el del Hubble y capacidad de ver en infrarrojo, este telescopio es capaz de observar galaxias distantes con la misma calidad que si se estuviesen viendo galaxias locales en la parte óptica del espectro. Las estrellas de la Población III - aquellas de la primerísima generación - se consideran relevantes en la formación de galaxias y, aunque de momento no se ha detectado ninguna, su búsqueda se halla entre los objetivos del telescopio Webb. En el Instituto de Astrofísica de Andalucía se está desarrollando el Proyecto Estallidos, que busca evidencias de estas estrellas, caracterizadas por ser mucho más grandes y energéticas, vivir muy poco tiempo, explotar como hipernovas y ser responsables de eyectar la primera generación de elementos pesados al universo.
El Webb puede también romper algunos de los esquemas del modelo actual: a finales de julio, nada más comenzar su misión de veinte años, encontró una candidata a considerarse la galaxia más antigua observada. Se llama GLASS-z13 y se estima que tiene 13.500 millones de años, por lo que se formó unos trescientos millones de años después del Big Bang. Es una galaxia pequeña e irregular, lo que se ajusta a las expectativas, pero es notablemente más brillante de lo que los expertos esperarían para una galaxia tan primitiva. Además, Webb ha hallado galaxias más masivas de lo que cabría esperar, escasos quinientos millones de años tras la gran explosión. Estos descubrimientos implicarían que, de confirmarse las observaciones, habría que revisar los conocimientos actuales sobre cómo se formaron las galaxias y a qué velocidades e, incluso, podría significar que comenzaron a formarse antes de lo que se cree.
