“Smog” de carbono en galaxias jóvenes

Los astrónomos estudian los elementos presentes entre las estrellas para aprender sobre el funcionamiento interno, los movimientos y la composición química de las galaxias. Sin embargo, los intentos realizados hasta ahora por detectar las características señales de radio del carbono emitidas cuando el Universo era aún muy joven se han visto frustrados, quizá -como han planteado algunos- por la necesidad de esperar algunos miles de millones de años hasta que las estrellas hayan fabricado suficientes cantidades de carbono como para poder observar sus átomos a tamaña distancia cósmica.

Pero ahora, en las nuevas observaciones hechas con el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), se detectaron por primera vez unos débiles rastros de carbono a través de las atmósferas interestelares de galaxias consideradas normales, transcurridos tan solo mil millones de años desde el Big Bang o Gran Explosión. Esto significa que, a pesar de ya estar rebosando de carbono cuando el Universo era muy joven, las galaxias normales aún distaban mucho de haber alcanzado la evolución química que se observa en galaxias similares apenas unos pocos miles de millones de años después. En estas galaxias más maduras, la mayor parte del carbono ionizado se encuentra condensado en granos de polvo, donde forman moléculas orgánicas simples como el monóxido de carbono (CO).

«Los astrónomos buscan entender mejor cómo pasamos del gas primordial de la Gran Explosión a los átomos pesados y las moléculas complejas que vemos en galaxias de todo el Universo hoy», cuenta Peter Capak, astrónomo del Instituto de Tecnología de California, en Pasadena, y autor principal de un estudio que publica la revista Nature. «Antes de ALMA, no había cómo estudiar estas galaxias muy jóvenes y distantes porque cualquier señal de radio del carbono habría sido demasiado débil para ser detectado».

Gracias a su sensibilidad sin precedentes, ALMA pudo detectar el débil pero omnipresente «brillo» del carbono ionizado en las atmósferas interestelares de nueve galaxias muy jóvenes y distantes, correspondientes a una época en que el Universo tenía solo el siete por ciento de su edad actual. Los átomos como el carbono pueden ser ionizados por efecto de la intensa radiación ultravioleta emitida por estrellas masivas y brillantes.

Cuando las galaxias comenzaron a formarse, en un período conocido como Alba Cósmica, la mayor parte del espacio entre las estrellas estaba lleno de una mezcla de hidrógeno y helio producido en la Gran Explosión. A medida que las generaciones de estrellas masivas fueron terminando su breve pero brillante vida como supernovas, su explosión fue sembrando el medio interestelar con un fino polvo de elementos pesados, principalmente carbono, silicio y oxígeno, que se forjan en sus hornos nucleares.

«Las particulares características espectrales del carbono ionizado se han considerado desde hace mucho tiempo una herramienta muy útil para estudiar el enriquecimiento de las galaxias con elementos más pesados que el hidrógeno y el helio. También constituyen una muestra única del funcionamiento de las galaxias más jóvenes», señala el coautor del estudio Chris Carilli, del Observatorio Radioastronómico Nacional de Estados Unidos, en Socorro (Nuevo México). «Los resultados de este estudio demuestran claramente ese potencial y presagian un gran futuro para este tipo de estudio».

Al tener una propensión natural a combinarse con otros elementos para formar moléculas orgánicas más simples o complejas, el carbono permanece mucho tiempo en estado ionizado puro, de ahí que generalmente se encuentre en concentraciones muy inferiores en comparación con otros elementos pesados del medio interestelar.

Por esta razón, el carbono es una herramienta ideal para encontrar galaxias jóvenes que todavía no han evolucionado. «El hecho de que veamos carbono en este peculiar estado significa que las concentraciones de otros elementos pesados en el medio interestelar son relativamente bajas», explica Capak. «Esto representa un fuerte contraste con las galaxias apenas dos mil millones de años más viejas, que rebosan de polvo con elementos pesados y presentan una concentración de carbono ionizado mucho más baja».

Los astrónomos también usaron los datos de esta observación como un velocímetro intergaláctico y calcularon que el gas interestelar de estas galaxias se desplaza a hasta 380 kilómetros por segundo. «Este tipo de medición era imposible de realizar hasta ahora en las galaxias tan distantes» afirma Capak. «Esto contribuye aún más a entender cómo se formaron y evolucionaron las primeras galaxias», agrega.

Las velocidades detectadas por ALMA son similares a aquellas observadas en galaxias normales donde se forman estrellas, que tienen algunos miles de millones de años más, e incluso en aquellas contemporáneas, situadas en el Universo cercano. Los datos de ALMA también revelan que estas galaxias distantes tienen una masa total de 10.000 a 100.000 millones de veces la masa del Sol, una masa comparable a la de la Vía Láctea.

Estos resultados sorprendieron a los astrónomos, quienes habían dado por sentado que las galaxias normales del Universo joven tenían menos energía y menos masa que aquellas observadas en períodos posteriores, mientras que los datos de ALMA revelaron que en el Universo joven podrían formarse lo que ahora consideramos ser galaxias de proporciones normales. Las diferencias en la composición química y la manifiesta falta de polvo, sin embargo, indican que se encuentran en una etapa muy temprana de su evolución.

Para su investigación, los astrónomos eligieron nueve galaxias típicas donde se forman estrellas, situadas a unos 13.000 millones de años luz de distancia. Las galaxias fueron seleccionadas entre los datos del Estudio de Evolución Cosmológica (Cosmos, en su sigla en inglés) y su distancia se calculó con el Espectrógrafo Multiobjeto de Obtención de Imágenes Extragalácticas Profundas (Deimos) en el observatorio W. M. Keck-II, en Hawái.

El observatorio ALMA, desde su ubicación en el desierto de Atacama, en Chile, es capaz de detectar la débil radiación milimétrica emitida por los átomos y moléculas del espacio. Los estudios anteriores de galaxias igualmente distantes fueron incapaces de detectar estas mismas señales porque se centraron en galaxias atípicas en proceso de fusión, lo cual podría haber obstruido la débil señal del carbono ionizado. El nuevo estudio realizado con ALMA, producido apenas con una parte del conjunto en menos de 20 minutos de observación para cada fuente, encierra la promesa de que las futuras observaciones realizadas con la totalidad de las antenas de ALMA permitirán obtener un panorama aún más claro del funcionamiento de las galaxias y su composición química.

(OBSERVATORIO ALMA/DICYT)