Francis en #rosavientos: La galaxia confirmada más antigua

Ya puedes escuchar en este enlace mi nuevo podcast en la sección ¡Eureka! de la Rosa de los Vientos de Onda Cero. Como siempre, una transcripción y algunos enlaces a artículos técnicos.

Esta semana ha sido noticia en algunos medios que se ha descubierto la galaxia más lejana conocida, cuya luz se emitió cuando el universo tenía 700 millones de años tras el big bang, en plena edad oscura. ¿No se conoce ninguna galaxia más lejana? La galaxia en cuestión se llama z8_GND_5296 y ha sido observada por un equipo internacional de astrónomos gracias al telescopio Keck-I situado en el volcán Mauna Kea, en Hawái, cuyo espejo segmentado de 36 trozos tiene un diámetro de 10 metros. La luz de esta galaxia presenta un desplazamiento al rojo de z = 7,51 según las medidas del espectrógrafo MOSFIRE. Se trata de la galaxia más lejana que ha sido observada gracias a la huella dactilar de las galaxias, la línea espectral de 21 centímetros del hidrógeno neutro, lo que significa que es la galaxia más lejana confirmada fuera de toda duda por espectrografía infrarroja y por ello su descubrimiento se ha publicado en la prestigiosa revista Nature. Sin embargo, se han observado galaxias más lejanas en las imágenes de cielo ultraprofundo de la nueva cámara UDF del telescopio espacial Hubble. Hay unas diez galaxias conocidas con desplazamiento al rojo z > 8, pero en todas ellas es imposible observar la huella dactilar de las galaxias y los astrónomos hablan de candidatos a galaxias, en lugar de galaxias confirmadas. El candidato a galaxia con mayor desplazamiento al rojo tiene z=12, se llama UDFj-39546284, fue observada por el telescopio espacial Hubble en septiembre de 2012 y por el espectrógrafo MOSFIRE del telescopio Keck-I en julio de 2013. La luz de este candidato a galaxia con z=12 se emitió cuando el universo tenía sólo 400 millones de años. También se han observado galaxias de alto desplazamiento al rojo cuya luz ha sido amplificada mediante lentes gravitatorias; la que tiene el récord actual es una galaxia llamada MACS 0647-JD con un valor z=11. Una de las misiones del futuro telescopio espacial James Webb, que será lanzado al espacio en 2018, será observar cientos de galaxias en la Edad Oscura del universo.

En mi blog también puedes leer «Una galaxia formando estrellas con rapidez cuando el universo tenía 700 millones de años,» 23 Oct 2013; el artículo técnico es S. L. Finkelstein et al., ”A galaxy rapidly forming stars 700 million years after the Big Bang at redshift 7.51,” Nature 502: 524–527, 24 Oct 2013; arXiv:1310.6031 [astro-ph.CO]. Más información divulgativa en Maggie McKee, “Light from farthest galaxy yet discovered breaks through cosmic fog,” Nature News, 23 Oct 2013, y Dominik A. Riechers, “Astronomy: New distance record for galaxies,” Nature502: 459–460, 24 Oct 2013.

Sobre las galaxias de mayor desplazamiento al rojo observadas por el telescopio espacial Hubble recomiendo leer a Richard S. Ellis et al., «The abundance of star-forming galaxies in the redshift range 8.5-12: New results from the 2012 Hubble Ultra Deep Field Campaign,» The Astrophysical Journal Letters 763: L7, 20 Jan 2013; arXiv:1211.6804 [astro-ph.CO]; y también P. Capak et al., «Keck-I MOSFIRE Spectroscopy of the z~12 candidate galaxy UDFj-39546284,» The Astrophysical Journal Letters 773: L14, 10 Aug 2013; arXiv:1307.4089 [astro-ph.CO].

La lente gravitacional MACS 1149+2223 permite observar la galaxia más joven y remota (MACS 1149-JD)

La gravedad de Einstein permite que un cúmulo galáctico actúe como un lente gravitacional capaz de amplificar la luz de galaxias muy débiles. La combinación de los telescopios espaciales Hubble y Spitzer, ambos de la NASA, ha permitido observar la galaxia más joven y lejana observada hasta el momento, llamada MACS 1149-JD, gracias a la lente gravitacional MACS 1149+2223. La luz de esta galaxia se emitió cuando el universo tenía solo unos 490 ± 15 millones de años tras la gran explosión (que ocurrió hace unos 13.700 millones de años), es decir, su corrimiento al rojo es z = 9,6 ± 0,2; también se han observado unas 100 galaxias cuya luz se emitió entre 650 y 850 millones de años tras la gran explosión.  El secreto de la nueva observación es la Cámara de Gran Campo (Wide Field Camera) instalada en 2009 en el Telescopio Espacial Hubble. Todas las nuevas galaxias observadas se encuentran en la época del universo llamada «edad oscura,» en la que se empezaron a formar las primeras galaxias y las primeras estrellas. ¿Cuándo se empezaron a formar las primeras estrellas en la nueva galaxia? Los autores del artículo técnico creen que se empezaron a formar cuando el universo tenía unos 200 millones de años (con una confianza estadística del 95%) tras la gran explosión, es decir, un corrimiento al rojo z < 14. El valor más probable para la masa estelar (de todas las estrellas) de esta galaxia es de unos 150 millones de veces la masa del Sol, aunque la dispersión en dicho valor es muy grande, como ilustra la figura de abajo (histograma en celeste). Nos lo cuenta Daniel Stark, «Astronomy: Searching for the cosmic dawn,» Nature 489: 370–371, 20 September 2012, que se hace del artículo técnico de Wei Zheng et al., «A magnified young galaxy from about 500 million years after the Big Bang,» Nature 489: 406–408, 20 September 2012.

Las lentes gravitatorias son claves para la observación de galaxias muy débiles, porque actúan sobre todo tipo de radiación electromagnética, no solo luz visible, sin aberración cromática (su efecto no depende de la longitud de onda de la luz). Por tanto, permiten observar galaxias lejanas en el óptico, infrarrojo, ultravioleta y cualquier otro rango espectral, lo que facilita el uso de técnicas de fotometría y espectroscopia astronómicas. Abajo aparece la lente gravitacional MACS 1149+2223.

PS: Por cierto, la nueva galaxia ya fue noticia antes del verano: «Detectada una galaxia tan remota que su luz fue emitida 490 millones de años tras el big bang.»

PS (20 sep. 2012): En Science también se han hecho eco de este descubrimiento, Yudhijit Bhattacharjee, «Warped Light Reveals Infant Galaxy on the Brink of the ‘Cosmic Dawn’,» Science 337: 1442, 21 September 2012.

PS (01 oct. 2012): En la sección ¡Eureka! de La Rosa de los Vientos, Onda Cero, hablé de este tema el 30 de septiembre. El audio lo puedes escuchar aquí.

Por qué no se observan galaxias espirales con corrimiento al rojo z > 2

Las galaxias espirales son muy comunes en nuestro entorno local (corrimientos al rojo z  ≈  1), pero solo se conocen dos ejemplos para z>2, HDFX 28, con z = 2,011, y Q2343-BX442, con z = 2,18. Hay dos explicaciones posibles, una es que los instrumentos actuales no son tan sensibles como para observar las estructuras espirales de estas galaxias y la otra es que a dichas distancias los discos galácticos son tan «calientes» que no se pueden formar brazos espirales estables de gran duración. Un nuevo artículo en Nature, que estudia la galaxia Q2343-BX442, apunta a que ambas ideas son incorrectas; esta galaxia tiene un disco «caliente» y presenta brazos espirales que pueden ser observados con instrumentos como el HST/WFC3. Como esta galaxia está acompañada de una galaxia satélite más pequeña, los autores proponen que la formación de los brazos espirales exige, por un lado, que la galaxia tenga suficiente masa para tener un disco estable, y por otro que esté acompañada de una galaxia satélite en proceso de fusión mutua. Además, las espirales aparecen y desaparecen en una escala de tiempo de unos ≤ 100  millones de años, o Δ z  ≤  0,08 para Q2343-BX442, por lo que han de ser observadas en una ventana de tiempo adecuada, en la que los brazos estén más visibles; además, la galaxia debe estar orientada de forma adecuada para que este patrón sea visible desde nuestra dirección. El artículo técnico es David R. Law et al., «High velocity dispersion in a rare grand-design spiral galaxy at redshift z = 2.18,» Nature 487: 338–340, 19 July 2012 [información suplementaria] [arXiv:1207.4196].

El nuevo estudio compara las medidas obtenidas en el infrarrojo por la Cámara de Gran Campo 3 del Telescopio Espacial Hubble (HST/WFC3) con resultados de modelos numéricos tridimensionales del disco galáctico. Los datos indican que el disco presenta brazos espirales en rotación con velocidades ±150 km/s con una dispersión media en la velocidad de σ_m = 66 ± 6 km/s; en los brazos espirales la dispersión pico alcanza un valor de σ = 113 ± 14 km/s. El modelo numérico indica que el disco de la galaxia está inclinado unos 42  ±  10 ° respecto a nuestra línea de visión. Estas observaciones indican que Q2343-BX442 tiene brazos espirales incluso con un disco caliente z  ≈  2. Como los estudios espectroscópicos indican que las galaxias como ésta son bastante frecuentes para z  ≈  2, la hipótesis de los autores parece bastante razonable. No es que haya pocas galaxias espirales para z > 2, lo que pasa es que no es fácil que los veamos pues tienen que coincidir varias circunstancias de forma simultánea para que podamos obervarlas.

Detectada una galaxia tan remota que su luz fue emitida 490 millones de años tras el big bang

Una galaxia (llamada MACS1149-JD1) con un corrimiento al rojo fotométrico de z = 9,6 ± 0,2, lo que indica una edad cósmica de unos 490 ± 15 millones de años (cuando el universo tenía el 3,6% de su edad actual). Aún así, no es la galaxia más antigua observada, ya que en enero de 2011 se publicó en Nature una con z ∼ 10 cuya luz se emitió unos 480 millones de años tras el big bang. El espectro de estas galaxias con z ∼ 10 no se puede determinar con los telescopios actuales y habrá que esperar al lanzamiento del James Webb Space Telescope (JWST), previsto para 2018. Las observaciones cosmológicas indican que el universo tiene 13700 millones de años y que la reionización del medio intergaláctico ocurrió alrededor de un corrimiento la rojo de z ∼ 11, momento en que aparecieron las primeras estrellas. Se han observado más de 10000 cuásares, pero solo uno con z > 7; miles de brotes de rayos gamma, pero solo uno está confirmado con z = 8,3; y se han observado miles de candidatos a galaxias con z ∼ 6, pero solo una con z ∼ 10. Las galaxias con z ∼ 10 tienen una magnitud óptica de ∼ 29, por debajo de los límites de observación en las imágenes de campo profundo del Hubble Space Telescope (HST) y más allá de la capacidad de los espectroscopios de los grandes telescopios (incluidos los de la próxima generación). Estas galaxias, por ahora, son solo candidatos a galaxias, ya que su espectro solo podrá ser obtenido gracias a JWST, que podrá confirmar de forma definitiva que realmente se trata de algunas de las primeras galaxias. El artículo técnico es Wei Zheng et al., «A highly magnified candidate for a young galaxy seen when the Universe was 500 Myrs old,» ArXiv:1204.2305, Submitted on 10 Apr 2012; nos lo ha contado Ron Cowen, «Infant galaxy offers tantalyzing peek at early Universe. Discovery hints at an unexpected cohort of baby star systems,» Nature News, 13 April 2012. Me he enterado de este último gracias a un tuit de Enrique Coperías ‏ @TapasDeCiencia: «Los astrónomos detectan una galaxia tan remota que su luz fue emitida 490 millones de años tras el big bang.» El título de esta entrada se basa en dicho tuit de Enrique.

¿Cómo es posible que se haya observado una galaxia cuya luz es tan débil? Gracias al efecto de lente gravitatoria debido a la materia oscura de los cúmulos galácticos. La inmensa masa de estos cúmulos desvía la luz y actúa como una «lente cósmica» que magnifica el brillo y el tamaño aparentes de las galaxias que se encuentran detrás, muchísimo más lejos (para la nueva galaxia MACS1149-JD1 se estima que la lente ha amplificado su brillo en un factor 15×). En galaxias con corrimientos  z ∼ 6 estas lentes gravitatorias permiten revelar muchos detalles morfológicos y realizar análisis de su espectro de luz, sobre todo gracias al telescopio espacial infrarrojo Spitzer. La combinación de observaciones ópticas con el Hubble e infrarrojas con el Spitzer permite estudiar algunas líneas espectrales y estimar el corrimiento z con precisión.

Ron Cowen en Nature News nos cuenta que Richard Ellis (California Institute of Technology in Pasadena) dice que lo más excitante del nuevo artículo no aparece dicho de forma explícita. El campo óptico observado es tan pequeño, que observar una nueva galaxia con z ∼ 10 indica que hay un número de galaxias con corrimientos al rojo tan grandes mucho mayor de lo que estimaban los astrónomos. La radiación ionizante de estas primeras galaxias tuvo un importante papel en la reionización que ocurrió en la edad oscura, cuando todo el universo estaba repleto de un gas oscuro y frío de hidrógeno (los electrones y los protones se combinaran en hidrógeno). Era una época oscura porque no había aún objetos luminosos. Esta fase se terminó cuando las primeras estrellas se formaron y su intensa radiación ultravioleta lentamente volvió a hacer trasparente el gas hidrógeno, al separar los átomos de hidrógeno en electrones y protones, un proceso conocido como reionización. Si el número de galaxias con z ∼ 10 es tan grande como parecen indicar los nuevos descubrimientos, esta época en la historia temprana del Universo tuvo que durar menos tiempo del que se pensaba lo que afectaría a nuestros modelos sobre la formación de grandes estructuras en el universo (claves para entender cosas tan importantes como la evolución temprana de la energía oscura).

El telescopio espacial Hubble descubre la galaxia con mayor corrimiento al rojo (z≈10)

Ver una galaxia con z ≈ 10 significa que la vemos como era 500 millones de años despúes de la gran explosión (Big Bang), cuando el universo tenía tan solo el 4% de su edad actual. No se ha observado ninguna otra galaxia con z>8 y la comparación entre la nueva galaxia y las encontradas con z ≈ 8 (unos 200 millones de años más tarde) indica que su tasa de formación estelar es un ~10% inferior, lo que sugiere que el estudio de las galaxias con z > 9-10 es crucial para entender la formación de las primeras galaxias. Hay que recordar que ya se han observado unas 6.000 galaxias con 6>z>3, es decir, entre 900 y 2.000 millones de años tras la gran explosión, pero se han observado muy pocas galaxias con z ≈ 8 (la más antigua conocida tenía z ≈ 8.2). Nos lo cuenta Naveen A. Reddy, «Cosmology: A glimpse of the first galaxies,» Nature 469: 479–481, 27 January 2011, que se hace eco del artículo técnico de R. J. Bouwens et al., «A candidate redshift z ≈ 10 galaxy and rapid changes in that population at an age of 500 Myr,» Nature 469: 504–507, 27 January 2011.

La nueva galaxia ha sido observada gracias a la nueva cámara de gran campo (WFC 3 por Wide Field Camera) instalada a mediados de 2009 en el telescopio espacial Hubble. Este instrumento es 30 veces más sensible que la WFC 2 y permite encontrar galaxias muy débiles de alto corrimiento al rojo. Técnicamente, han utilizando un método llamado «discontinuidad galáctica Lyman» (Lyman break galaxy) que busca mediante un filtro azul la línea Lyman-α en el espectro del hidrógeno galáctico. La técnica utiliza las imágenes obtenidas por la WFC3 a través de varios filtros y su análisis es complicado. Por ello será necesario que se confirme el corrimiento al rojo de la nueva galaxia por un método independiente. Aún así, se trata de un gran hallazgo que ha merecido ser publicado en Nature.

¿Cómo dieron origen a las primeras galaxias las fluctuaciones primordiales tras la gran explosión? La única manera de contestar a esta pregunta es mediante el estudio de las primeras galaxias, que se formaron tras la fase de reionización (6 < z < 20, o entre 150 y 1.000 millones de años tras la gran explosión). «Se piensa que la reionización ocurrió cuando las primeras generaciones de estrellas de población III y cuásars emitieron radiación que reionizó el universo, volviendo a hacerlo un plasma ionizado» [wiki]. El nuevo hallazgo sugiere una conexión estrecha entre la formación de galaxias y la materia oscura en el universo temprano. Parece ser que el crecimiento de las primeras galaxias refleja el de los halos de materia oscura de dichas galaxias. Esta similitud sugiere que, a pesar de la compleja física de la formación galáctica, la formación estelar está dominada por efectos gravitatorios; gracias a ello se puede estimar la luminosidad de una galaxia primigenia. 

La gran esperanza de los cosmólogos para estudiar en detalle la formación de las primeras galaxias es el telescopio espacial James Webb (JWST), cuyo lanzamiento está programado para 2014. Un espejo mucho mayor y unos detectores infrarrojos mucho más sensibles (capaces de observar galaxias con z > 10) permitirá un estudio detallado del papel de las primeras galaxias en la reionización. Todo el mundo espera que el JWST revolucione nuestro conocimiento sobre las galaxias más distantes y más débiles.

Publicado en Nature: ALMA, PdBI, y el gas molecular galáctico en el que se forman las estrellas

Galaxias con z=1,2; arriba, fotos del Hubble; abajo, distribución de CO observada en el PdBI. (c) Nature.

Las estrellas de las galaxias se forman en nubes de gas molecular denso y frío, con temperaturas entre 10 y 100 K, lo que dificulta mucho su observación astronómica. Una vez formada una estrella, su presión de radiación expulsa este gas de su entorno, lo que facilita su observación en el infrarrojo. Sin embargo, la mayor parte de dicho gas es hidrógeno molecular (H2), invisible en esta región del espectro, en la que sólo podemos observar moléculas polarizadas, como el monóxido de carbono (CO). A partir de modelos predictivos, la distribución de masa total de la galaxia y la distribución observada de CO se puede estimar la distribución de H2. Usando este procedimiento, el español Santiago García-Burillo, del Observatorio Astronómico Nacional, y sus colaboradores han determinado la distribución de gas molecular galáctico en dos muestras de galaxias con un corrimiento al rojo de z≈1 y z≈2, las épocas en las que el universo tenía el 40% y el 24%, respectivamente, de su edad actual, épocas en las que sólo se habían formado el 50% y el 25%, resp., de todas las estrellas observadas hoy en día. Han descubierto que la masa de gas disponible para la formación de estrellas en dichas épocas es mucho mayor que en la actualidad (el 44% de la masa galáctica para z=2,3 y el 34% para z=1,2). Han utilizado el interferómetro milimétrico Plateau de Bure Interferometer (PdBI), uno de los más sensibles del mundo situado a 2550 m. de altura en los Alpes franceses, que utiliza la tecnología más reciente desarrollada para el futuro interferómetro Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), actualmente en construcción en Chile. Todo apunta a que cuando ALMA, que está a mayor altura que PdBI, esté en funcionamiento en 2011 se nos abrirá una nueva ventana al universo. Nos lo cuenta Andrew Blain, «Astrophysics: Less greedy galaxies gulp gas,» News and Views, Nature 463: 745-746, 11 February 2010, que se hace eco del artículo técnico de L. J. Tacconi et al., «High molecular gas fractions in normal massive star-forming galaxies in the young Universe,» Nature 463: 781-784, 11 February 2010 [disponible gratuitamente en ArXiv].

Espectacular imagen que avala la tesis de que un superagujero negro nace antes que su galaxia madre

Estas espectaculares imágenes muestran el cuásar HE0450-2958 (con z=0,286) en interacción (colisión) con una galaxia compañera que se encuentra a sólo 6,5 kpc (kilopársec) de distancia. Imágenes en el óptico y en el infrarrojo que muestran un superagujero negro «huérfano» (que no está en el centro de una galaxia) que interactúa con una nube de gas y que parece estar formando su propia galaxia madre. Aparentemente el mejor ejemplo de «Quién fue primero el huevo o la gallina, perdón, quién fue primero el (super)agujero negro o la galaxia,» 11 Enero 2009. Un gran trabajo del español David Elbaz, afincado en Francia, que ha dado lugar a los dos artículos técnicos Knud Jahnke, David Elbaz, Eric Pantin, Asmus Böhm, Lutz Wisotzki, Geraldine Letawe, Virginie Chantry, Pierre-Olivier Lagage, «The QSO HE0450-2958: Scantily dressed or heavily robed? A normal quasar as part of an unusual ULIRG,» Astrophys. J. 700: 1820-1830, 2009 [ArXiv preprint], y David Elbaz, K. Jahnke, E. Pantin, D. Le Borgne, G. Letawe, «Quasar induced galaxy formation: a new paradigm?,» Astronomy and Astrophysics, accepted for publication [ArXiv preprint, Submitted on 16 Jul 2009].

Los interesados en más detalles, incluidas las palabras de David, pueden leer la noticia en El País, M.R.E. «Un agujero negro ‘huérfano’ está construyendo su galaxia,» 30 Nov. 2009 [la he visto en Menéame]. También en Menéame he visto la noticia «¿Qué fué primero la galaxia o el agujero negro?» que enlaza el artículo de Clay Dillow, «European Team May Have Solved Galactic ‘Chicken or Egg’ Conundrum,» Popular Science, 11 Nov. 2009, traducida pobremente en «¿Qué es primero la galaxia o el agujero negro?,» Descubre el Universo, lunes 30 de noviembre de 2009.

Canibalismo galáctico en directo entre Andrómeda (M31) y la Galaxia del Triángulo (M33)

 

«Las galaxias, como los elefantes, tienen un gran memoria.» Memoria que podemos leer para estudiar cómo se formaron y evolucionaron. La arqueología galáctica es la rama de la astrofísica que estudia el canibalismo galáctico, el proceso por el que crecen las galaxias grandes gracias a su colisión con galaxias más pequeñas (satélites).  La galaxia ideal para estos estudios es Andrómeda (M31). Un vídeo espectacular de McConnachie et al., que publican hoy en Nature los resultados del Pan-Andromeda Archaeological Survey (PAndAS), que el mismo dirige, en el que han descubierto los detalles más íntimos de la interacción de M31 con su galaxia satélite M33. Han caracterizado el número, luminosidad y morfología de las estrellas que forman estos chorros estelares en el entorno de M33. Estos chorros son debidos a las fuerzas de marea producidas por Andrómeda en la galaxia satélite. El censo ha permitido reconstruir la historia de las interacciones entre estas galaxias así como observar que muchas de estas estrellas no provienen de M33, su galaxia satélite mayor, sino que deben pertenecer a otras galaxias satélite que aún no han sido observadas. El resultado es la mejor demostración de la teoría del canibalismo galáctico, además de un sinnúmero de detalles sobre la historia de los choques entre M31 y M33. Nos lo cuenta Nickolay Y. Gnedin, «Astrophysics: Hidden chaos in cosmic order,» Nature 461: 43-44, 3 September 2009. El artículo técnico es Alan W. McConnachie et al., «The remnants of galaxy formation from a panoramic survey of the region around M31,» Nature 461: 66-69, 3 September 2009.

La figura que culmina esta entrada resume los resultados de la animación que la abre. Estos resultados han sido obtenidos mediante simulaciones por ordenador ajustadas a los datos observacionales del censo estelar observado alrededor de M33 (el mapa de velocidades de las estrellas observadas). La evolución mostrada se inicia hace 3400 Ma (millones de años, Gyr en el vídeo) cuando M33 se encontraba a unos 200 kpc (kiloparsec) de M31, cayendo hacia ella en la dirección desde la que vemos a Andrómeda desde la Vía Láctea. La animación es espectacular y autoexplicativa. Un gran trabajo de investigación espectacular.

El papel de los agujeros negros en la formación y evolución de galaxias

Todas las galaxias masivas conocidas presentan un agujero negro central con una masa entre millones y miles de millones de veces la masa del Sol. Estos agujeros negros se cree que son los responsables de las inmensas cantidades de energía que liberan los cuásares y los núcleos galácticos activos. ¿Cómo influyen estos agujeros negros en la formación y evolución de las galaxias? El artículo de revisión de A. Cattaneo et al. «The role of black holes in galaxy formation and evolution,» Nature 460: 213-219, 9 July 2009, nos resume los resultados más interesantes descubiertos recientemente gracias a simulaciones por ordenador y observaciones experimentales.

Hay dos tipos básicos de galaxias: elípticas y espirales. Las espirales contienen abundante gas frío, que forma las estrellas, mientras que el gas en las elípticas es demasiado caliente para formar estrellas. Por lo tanto, las galaxias elípticas carecen de las estrellas jóvenes azuladas que se suelen observar en las espirales, por lo que son más rojizas. Las galaxias elípticas son similares a las protuberancias centrales de las galaxias espirales. En la figura vemos la clasificación galáctica de Hubble, (C) Wiki, y el diagrama color/masa, (C) Nature. En este última u-r es la diferencia de luminosidad entre el ultravioleta y rojo. Las galaxias en el diagrama de Hubble de tipo «S» (azul) han crecido principalmente por acreción de gas y las de tipo «E» (rojo) a través de fusiones con otras galaxiass. Las «S0» se parecen a galaxias elípticas en miniatura. Todas las galaxias tienen un superagujero negro central (punto negro) que da cuenta, aproximadamente, del 0.1% de la masa de la protuberancia central de la galaxia (o de la galaxia completa en el caso elíptico).

Las inhomogeneidades que observamos ahora en el fondo cósmico de microondas, produjeron «grumos» de materia por acreción gravitatoria que dieron origen a los halos galácticos. La competencia entre enfriamiento por radiación y calentamiento gravitatorio determinan el destino final de estos halos. En los halos de baja masa, domina el enfriamiento, formándose el disco de las galaxias gracias a la acreción de gas hacia su centro y la subsiguiente formación de estrellas. Cuando la masa del halo supera el límite de un billón de masas solares, el calentamiento domina y la acreción de gas no puede formar una galaxia.

La figura muestra 9 imágenes de una simulación ordenador de la formación de una galaxia espiral. En la izquierda aparece la distribución de materia oscura, en el centro la de gas y en la derecha la de estrellas. De arriba a abajo se muestran tres épocas de la expansión del universo, cuando éste tenía un 1/5 de su tamaño actual (z=4), cuando tenía un 1/3 (z=2) y en la actualidad (z=0). Las grandes estructuras del universo están dominadas por la materia oscura, que con el paso del tiempo va formando «grumos» por acreción de materia (oscura) en los halos. Las figuras centrales muestran un zoom de un halo, círculo blanco, con una codificación de colores en función de la temperatura, siendo azul lo frío, verde lo caliente y rojo lo muy caliente. Inicialmente el halo es pequeño y va creciendo conforme fluye materia fría hacia él. Cuando el halo alcanza una masa crítica (un billón de masas solares), figura central, el gas del halo se calienta (verde) hasta que todo el halo está formado por materia caliente. Las figuras de la derecha muestran la formación de una galaxia. Inicialmente es una espiral con estrellas azuladas (z=4), que se van volviendo más rojas conforme el halo se calienta. Las colisiones entre galaxias espirales, incluyendo la colisión de sus agujeros negros centrales, acaban formando una galaxia elíptica (z=0).

Sin entrar en mayores técnicos, las nuevas simulaciones muestran el importantísimo papel que juegan los superagujeros negros en los centros galácticas en la formación y evolución de las galaxias.

Quién fue primero el huevo o la gallina, perdón, quién fue primero el (super)agujero negro o la galaxia

Los enormes agujeros negros que se observan en el centro de las galaxias crecen devorando el gas interestelar y las estrellas que se acercan demasiado, pero su atracción gravitatoria también puede favorecer el nacimiento de nuevas estrellas y el crecimiento de las galaxias. Este papel esquizofrénico como creadores y destructores es todo un enigma para los astrónomos: ¿quién fue primero el agujero negro o la galaxia? Nos lo cuenta Eric Hand, «Did black holes form before galaxies? Astronomers work on universe’s chicken-and-egg problem,» Nature News, Published online 7 January 2009 .

La evidencia experimental radioastronómica más reciente sugiere que los agujeros negros se forman primero y que más adelante se forma la galaxia a su alrededor (quizás por acreeción de gas interestelar), como afirma Chris Carilli, del National Radio Astronomy Observatory, en Socorro, New Mexico, en el 213-ésimo congreso de la American Astronomical Society in Long Beach, California, que se celebró el 6 de enero de 2009, en concreto en Chris Luke Carilli et al. «Study Of The Gas Dust and Star Formation in the First Galaxies: Current And Future Directions At Cm/m Wavelengths.» Utilizando la red de radiotelescopios VLA (Very Large Array) en New Mexico han estudiado 4 galaxias, una de ellas que existió cuando el Universo tenía sólo 870 milliones de años de edad (la presentada en la figura). Usando el movimiento del monóxido de carbono han estimado la masa de dichas galaxias y han observado que es mucho más pequeña de la esperada, sólo unas 30 veces la masa del agujero negro que tienen en su centro. Se ha observado que hay relación fija entre la masa del agujero negro central y la masa del núcleo central de estrellas y gas de todas las galaxias, incluidas las primigenias previamente estudiadas: el núcleo de la galaxia es unas 700 veces más masivo que el agujero negro. Esta relación se ha mantenido fija durante miles de millones de años. De ahí la gran sorpresa del descubrimiento de Carilli y sus colaboradores. Ellos interpretan el resultado como que los agujeros negros se formaron antes que las propias galaxias.

Por supuesto, el resultado observado es difícil de confirmar para la mayoría de las galaxias más antiguas, las que se formaron durante los primeros mil millones de años del Universo. De la mayoría sólo las observamos como cuásares (debidos a sus agujeros negros centrales) que son tan intensos que impiden estimar la cantidad de estrellas jóvenes y el gas interestelar que las rodee. Tod Lauer, astrónomo del National Optical Astronomy Observatory, en Tucson, Arizona, nos recuerda que el resultado observado es importante pero que su interpretación (los agujeros negros fueron antes que las galaxias) es muy discutible con sólo 4 ejemplos; estadísticamente es poco significativo. Carilli ha indicado que, cuando se finalice la construcción en Chile del Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), se observarán muchos más casos y se podrá confirmar o refutar su interpretación.

El problema más importante del trabajo es ¿cómo se formaron esos superagujeros negros antes de la formación de las galaxias? Lo que está claro es que su dinámica y las de las galaxias está interrelacionada. Habrá que esperar las explicaciones de los teóricos.

Otras fuentes: Ron Cowen, «In the young universe, black holes may have formed first. Findings pose a possible answer to long-standing question of when the black holes at galactic centers formed,» ScienceNews, Wednesday, January 7th, 2009. Dave Finley, «Black Holes Lead Galaxy Growth, New Research Shows,» NRAO News, Tuesday, January 6, 2009 . Ker Than, «Monster Black Holes Spawned Early Galaxies,» National Geographic News, January 8, 2009 (la segunda página es muy interesante). «Black holes ‘preceded galaxies.’ Black holes are thought to exist at the cores of most galaxies. A cosmic chicken-and-egg question may have been solved by astronomers who now say black holes came before galaxies,» BBC NEWS, Wednesday, 7 January 2009 . John Johnson Jr. «Black holes sprout galaxies, not vice versa,» Los Angeles Times, January 8, 2009 . Y muchas más… Sobre la teoría de la co-evolución (evolución simultánea) de agujeros negros y galaxias es útil leer Robert Roy Britt, «The New History of Black Holes: ‘Co-evolution’ Dramatically Alters Dark Reputation,» 28 January 2003 , que incluye «Black Holes & Co-evolution: A Primer .»

Otras fuentes en español: CGnauta Blog «Los agujeros negros se crearon antes que las galaxias,» miércoles, enero 07, 2009 . «Los agujeros negros llegaron antes que las galaxias,» El Mundo – Reuters – Washington, domingo 11/01/2009 .