“Apuntamos las más de cuarenta antenas de 12 m del Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) y el James Webb Space Telescope (JWST) de 6,5 m durante varias horas a una posición del cielo que parecería totalmente vacía a simple vista, con el objetivo de captar una señal de uno de los objetos astronómicos más distantes conocidos hasta la fecha”, señala Jorge Zavala, astrónomo del Centro Regional de ALMA para Asia Oriental en el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ). Agrega “detectó con éxito la emisión de átomos excitados de diferentes elementos como Hidrógeno y Oxígeno de una época nunca antes alcanzada”. Este logro marca la primera vez que se detectan emisiones de este tipo en galaxias situadas a más de 13.000 millones de años luz.
El estudio se originó a partir de las primeras observaciones extragalácticas realizadas por el JWST en 2022, las cuales identificaron un sorprendente número de brillantes candidatas a galaxias distantes, incluida GHZ2 (también conocida como GLASS-z12), el objetivo principal de estas observaciones.
Confirmar y caracterizar las propiedades físicas de esta población de galaxias lejanas y brillantes es fundamental para poner a prueba las teorías actuales sobre la formación y evolución de galaxias, así como para entender las fases más tempranas de la historia del ensamblaje galáctico. Sin embargo, este objetivo requiere observaciones astronómicas extremadamente detalladas y sensibles, especialmente mediante espectroscopia, una técnica que permite identificar características específicas asociadas a elementos atómicos, moléculas o compuestos complejos. Dada la distancia extrema de estos objetos, tales observaciones representan un desafío técnico significativo.
Los resultados de estas observaciones detalladas han permitido obtener algunos de los primeros datos sobre la naturaleza de estas galaxias primigenias. La detección de la transición [OIII] 88 μm del oxígeno doblemente ionizado con ALMA sitúa a GHZ2 en un desplazamiento al rojo de z=12.333z = 12.333, aproximadamente 400 millones de años después del Big Bang, cuando el Universo tenía apenas el 3% de su edad actual. Esto implica un tiempo de viaje de la luz de 13.400 millones de años, una observación sin precedentes. Este es el primer objeto astronómico detectado por ALMA en z>10z > 10 y la galaxia más distante con múltiples detecciones de líneas en todo el espectro electromagnético conocidas hasta la fecha.
La combinación de estos datos con observaciones del JWST, obtenidas mediante los instrumentos NIRSpec y MIRI, permitió una caracterización inédita de este objeto.
El equipo encontró que GHZ2 está experimentando episodios extremos de formación estelar bajo condiciones únicas, significativamente distintas de las observadas en la mayoría de las galaxias con formación estelar estudiadas en las últimas décadas. La metalicidad de esta galaxia es notablemente baja, aproximadamente un 10% de la abundancia solar, lo que es consistente con la temprana edad del Universo en ese momento. Además, la población estelar de GHZ2 está dominada por estrellas jóvenes, posiblemente masivas y calientes, responsables de su elevada luminosidad, y ausentes en galaxias más evolucionadas.
Mediciones precisas realizadas por ALMA estiman que la masa total de GHZ2 equivale a varios cientos de millones de veces la masa del Sol. Esta masa está confinada en una región extremadamente compacta de unos 100 parsecs o menos, lo que sugiere una densidad estelar similar a la de los cúmulos globulares: asociaciones gravitacionalmente ligadas de estrellas muy antiguas observadas en nuestra galaxia y otras. Las similitudes entre GHZ2 y los cúmulos globulares son numerosas, incluyendo baja metalicidad, anomalías en la abundancia química, alta densidad superficial de formación estelar y una gran densidad superficial de masa estelar. Estos resultados sugieren que objetos como GHZ2 podrían ser la clave para entender el enigmático origen de los cúmulos globulares, cuya formación sigue siendo un tema abierto en la astrofísica.
“Este estudio corona el esfuerzo de varios años para comprender las galaxias en el Universo primitivo”, señala Tom Bakx, investigador de la Universidad de Chalmers (Suecia), quien previamente trabajó en la Universidad de Nagoya. Estas observaciones abren nuevas oportunidades para estudiar objetos primigenios y desvelar las primeras etapas de la formación de galaxias. “El análisis de múltiples líneas de emisión permitió varias pruebas clave de las propiedades de las galaxias, y demuestra las excelentes capacidades de ALMA a través de una emocionante y poderosa sinergia con otros telescopios como el JWST”.
Este estudio no solo amplía nuestra comprensión de las primeras galaxias, sino que también sienta las bases para futuras investigaciones sobre los procesos físicos en juego durante las etapas más tempranas del Universo.
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