Rebeldes con causa (aún no conocida): galaxias masivas en un Universo jerárquico
Entrevista con Pablo G. Pérez González (UCM)
“Las galaxias más masivas tienen un comportamiento acelerado: empiezan su formación muy pronto y evolucionan rápido en épocas tempranas de la historia del Universo”
Por Nayra Rodríguez Eugenio (IAC)
Un reto para los modelos cosmológicos actuales es la existencia de una numerosa población de galaxias masivas que no sólo habían creado una gran cantidad de estrellas (1011-1013 masas solares) en una época temprana del Universo, sino que ya estaban evolucionando de forma pasiva en ese momento. Pablo Pérez González, profesor en el Departamento de Astrofísica de la Universidad Complutense de Madrid (España), está particularmente interesado en la comprensión de cómo esas galaxias, conocidas como "galaxias masivas muertas", han evolucionado durante la vida del Universo. Actualmente su investigación se centra en el análisis de datos ultra-profundos de banda media de cientos de galaxias de ese tipo, obtenidos con el Gran Telescopio CANARIAS (GTC) como parte de SHARDS (Survey for High-z Absorption Red and Dead Sources; en español cartografiado de fuentes rojas y muertas con espectros de absorción a alto corrimiento al rojo).
Pérez Gonzalez ha visitado el IAC recientemente como parte del Programa de Visitantes senior Severo Ochoa, una iniciativa del IAC que trata de incrementar la colaboración entre el personal del instituto e investigadores de prestigio de otras instituciones científicas punteras.
¿Qué son exactamente las “galaxias masivas inactivas” y cómo podemos estudiarlas en el Universo lejano?
En el universo cercano, es decir, la región del Universo que se encuentra cerca de nuestra galaxia, la Vía Látea, hay muchas galaxias del tamaño de la nuestra. Un ejemplo es la galaxia de Andrómeda. También hay muchas galaxias más pequeñas, por ejemplo, la Gran Nube de Magallanes (GNM) y la Pequeña Nube de Magallanes (PNM). Pero también hay galaxias más grandes, 10 o casi 100 veces más masivas que nuestra galaxia. Un ejemplo es M87, una de las galaxias más grandes que se conocen. En general, estas galaxias tienen morfologías elípticas y ahora están “muertas”, lo que quiere decir que ya no forman estrellas o, dicho de otro modo, formaron la mayor parte de sus estrellas en el pasado y ahora se encuentran en una “fase de inactividad”.
Una forma de entender cómo se formaron estas galaxias es estudiando ejemplos de galaxias masivas inactivas en el universo cercano, pero yo sigo una vía alternativa, aprovechando una de las propiedades más importantes de la naturaleza: la velocidad de la luz. La luz es la forma que tenemos en Astrofísica de conocer otras galaxias. La velocidad de la luz es enorme; la luz puede recorrer la distancia entre Canarias y Madrid en 7 milisegundos. Pero la velocidad de la luz no es tan grande si la comparamos con las distancias que separan las galaxias en el Universo. La luz procedente de una de las galaxias más cercanas a la Vía Láctea, la GNM, tarda 160.000 años en llegar a la Tierra. Eso significa que cuando observamos la GNM en realidad estamos viendo cómo era esa galaxia hace 160.000 años, cuando la luz salió de ella. Así que… de ese modo ¡podemos ver el pasado! (pero no podemos ver el “presente”, no sabemos cómo es esa galaxia “ahora”).
Teniendo esto en cuenta, podemos plantear otra posible forma de entender cómo se formaron las galaxias masivas: buscar galaxias distantes cuyas propiedades sean similares a las de galaxias masivas inactivas cercanas, o a lo que esperaríamos ver cuando estaban formando las estrellas que observamos actualmente. En otras palabras, podemos intentar buscar los progenitores de galaxias masivas inactivas a diferentes distancias y eso nos proporcionará información sobre distintas épocas de su evolución. En Cosmología la distancia se mide con lo que denominamos corrimiento al rojo, de modo que algunos astrónomos estudiamos galaxias al más alto corrimiento al rojo posible para estudiar la evolución de las galaxias desde el inicio del Universo. La labor de identificar los progenitores de galaxias masivas inactivas cercanas no es sencilla y, no sólo nos interesa encontrarlas, sino también estudiar todas sus propiedades y relacionarlas con otras galaxias a corrimientos al rojo cada vez más altos. Estas galaxias a alto corrimiento al rojo son muy débiles, porque se encuentran muy alejadas de nosotros (y porque podrían ser más pequeñas), de modo que hacen falta telescopios grandes del tipo del GTC para poder observarlas y estudiarlas.
¿Por qué las galaxias masivas inactivas a alto corrimiento al rojo suponen un reto para los modelos cosmológicos actuales?
Pensamos que la mayoría de las galaxias en el Universo se forman de una forma que llamamos “jerárquica”. ¿En qué consiste? Para entender los modelos de formación jerárquicos tenemos que saber que las galaxias están compuestas, en buena medida, de materia oscura y que la materia oscura forma halos. La física que rige los halos de materia oscura es (muy probablemene) bien conocida: es en su mayoría gravedad, algo que se conoce desde hace siglos, así que sabemos que los halos de materia oscura se comportan de forma jerárquica. Eso significa que los halos pequeños ejercen una atracción gravitatoria sobre otros halos y que se fusionan entre sí para formar otros mayores. La materia oscura también atrae a la materia ordinaria, lo que llamamos bariones, y esos bariones son lo que constituye las estrellas. En cuanto a las galaxias, nuestros modelos establecen que las galaxias pequeñas, con unos pocos millones de estrellas, se forman primero (en pequeños halos de materia oscura); luego éstas se fusionan para dar lugar a galaxias mayores. Esto quiere decir que para que se forme una galaxia muy grande, como por ejemplo una galaxia masiva cercana, tienen que fusionarse muchas glaxias pequeñas y eso lleva su tiempo. De modo que, según los modelos cosmológicos actuales, formar una galaxia masiva como M87 requiere un tiempo igual a la mayor parte de la vida del Universo y muchos procesos de fusión de galaxias más pequeñas. Esto significa también que no deberíamos ver galaxias muy masivas a distancias muy grandes (es decir, en una época muy temprana de la vida del Universo) y sí muchos procesos de fusión de galaxias, que es en realidad lo que se observa: estos procesos son más frecuentes a valores más altos de corrimiento al rojo. Pero, curiosamente, hace más de una década descubrimos muchas galaxias masivas que ya se habían formado cuando el Universo era mu joven (un tercio de su edad actual) y, lo que es aún más extraño y supone un desafío a nuestra idea de cómo se forman las galaxias masivas, algunas de esas galaxias masivas a alto corrimiento al rojo ya estaban muertas, lo que significa que deben haber formado sus estrellas en épocas muy anteriores. Algunos autores consideran este comportamiento “antijerárquico” y supone verdaderamente todo un desafío para nuestro paradigma actual de la formación de galaxias. A veces decimos que las galaxias masivas se forman siguiendo un escenario de "downsizing”, lo que quiere decir que las galaxias más masivas se forman primero (y, probablemente, muy rápido) y las menos masivas empiezan a formarse más tarde y/o tardan más en configurarse.
¿Qué resultados está encontrando SHARDS sobre estas galaxias rojas?
SHARDS es un proyecto concebido para buscar los progenitores de galaxias masivas inactivas hasta la época en que el Universo tenía sólo el 20% de su edad actual y estudiar sus propiedades con el mayor detalle hasta la fecha. Antes que SHARDS, contábamos con información sobre la emisión de estas galaxias en 4-5 bandas fotométricas en el óptico y, con esos datos, podíamos medir si esas galaxias eran muy azules, que es lo que se esperaría si tuvieran estrellas jóvenes, o rojas, si tuvieran estrellas evolucionadas. Con esas 4-5 bandas ópticas podíamos también estudiar otras propiedades de su contenido estelar. SHARDS ha obtenido datos en 25 bandas en lugar de sólo 4-5, así que ahora tenemos mucha más información detallada sobre las estrellas de galaxias masivas inactivas a alto corrimiento al rojo.
Estamos empezando a analizar los datos de SHARDS y los resultados preliminares indican que, por lo general, las galaxias masivas evolucionan realmente de manera antijerárquica. Sin embargo, hemos constatado que la mayor parte de las galaxias masivas, si bien comienzan a formarse antes, también tardan más en configurarse, lo que puede considerarse como un comportamiento jerárquico, pero que se acelera para las galaxias más masivas en comparación con sistemas más pequeños. Este comportamiento acelerado hace que inicien su formación muy pronto y que evolucionen rápidamente en épocas tempranas de la historia del Universo y, luego, mueran pronto y evolucionen más pasivamente.
Con la llegada de los telescopios de la clase 10m, como el GTC, la instrumentción actual y la que se está desarrollando estamos viviendo un momento muy interesante para el estudio de la formación y evolución de las galaxias distantes, ¿cuáles son las preguntas claves en este tema que pueden encontrar respuesta en los próximos años?
Uno de los rasgos más relevantes que aún no conocemos con la precisión necesaria es la escala temporal en que los diferentes tipos de galaxias forman sus estrellas. Otro es cuándo exactamente empezaron a formar estrellas. En otras palabras, todavía necesitamos medidas fiables de cuándo se inició la formación de galaxias de diferentes tipos y cuánto tiempo necesitaron para formar sus estrellas. Evidentemente, estas características están relacionadas con la estructura de las galaxias y del Universo en sí. Más concretamente, para entender la formación de las galaxias masivas, sabiendo que las galaxias muy masivas ya se habían formado a alto corrimiento al rojo, ¿cuánto tiempo antes comenzaron a formar estrellas? ¿Cuánto tiempo necesitan estas galaxias para “morir” (es decir, para dejar de formar estrellas)? ¿Por qué dejan de formar estrellas? ¿Por qué evolucionan de forma antijerárquica cuando la evolución de los halos de materia oscura y de otras galaxias es jerárquica? ¿Hay algo más de la materia oscura que no entendamos? ¿O es simplemente que no entendemos la física de la materia ordinaria y su transformación en estrellas, especialmente en las galaxias masivas?
¿Qué impresión tiene del Programa Severo Ochoa para visitantes senior?
Es un programa tremendamente útil. Hoy en día contamos con medios muy avanzados para comunicarnos con personas que viven muy lejos de nosotros, incluso en otros continentes. Podemos utilizar programas a través de internet para hablar con los colaboradores o podemos organizar videoconferencias con ellos, estas formas de comunicación son relativamente baratas. Sin embargo, a veces es muy difícil colaborar así dadas las diferencias horarias entre científicos que trabajan en países distintos de todo el mundo. En cualquier caso, la manera más efectiva de trabajar en colaboración con otros (sean científicos u otros profesionales) sigue siendo sentarse uno frente a otro a lo largo de varios días o semanas y dedicar todos los recursos mentales, habilidades y horas de trabajo a resolver conjuntamente un problema. La clave está en que dos o más cerebros pensando a la vez sobre el mismo problema trabajan mucho mejor que unos pocos individuos aislados y que el debate científico cara a cara es mucho más dinámico y fructífero. En este sentido, destinar fondos para invitar a otros invetigadores a una institución puntera como el IAC es enormemente útil tanto para el IAC como para los investigadores invitados. El programa Severo Ochoa para visitantes senior ha sido para mí realmente una oportunidad fantástica de venir al IAC y avanzar en unos cuantos proyectos científicos en los que colaboro con varios investigadores del IAC.
