Nuevos conocimientos sobre las primeras galaxias/New knowledge about early galaxies

Chano Birkelind

"Las galaxias son objetos profundamente fascinantes. Las semillas de las galaxias son las fluctuaciones cuánticas del universo muy temprano y por lo tanto, entender las galaxias enlaza las escalas más grandes del universo con los más pequeñas. Sólo dentro de las galaxias el gas puede llegar a ser lo suficientemente frío y denso como para formar estrellas y por lo tanto, galaxias son las cunas de las estrellas", explica Johan Fynbo, profesor del Centro de Cosmología Oscura en el Instituto Niels Bohr en la Universidad de Copenhague.
En el universo temprano, las galaxias se formaron a partir de grandes nubes de gas y materia oscura. El gas es la materia prima que tiene el universo para formar estrellas. Dentro de las galaxias el gas puede enfriarse desde los muchos miles de grados que tiene fuera de ellas. Al enfriarse, el gas se vuelve muy denso y finalmente, es tan compacto que se colapsa en una bola de gas donde la compresión gravitacional calienta la materia, creando una brillante bola de gas - ha nacido una estrella.
En el interior al rojo vivo de las estrellas masivas, hidrógeno y helio se fusionan y forman los primeros elementos más pesados, carbono, nitrógeno, oxígeno, que prosiguen para formar magnesio, silicio y hierro. Cuando todo el núcleo se ha convertido en hierro, no se puede conseguir más energía y la estrella muere explosionando como supernova. Por lo tanto, cada vez que una estrella masiva se quema y muere, arroja nubes de gas y elementos recién formados al espacio, donde forman nubes de gas que son cada vez más densas y eventualmente colapsan para formar nuevas estrellas. Las primeras estrellas sólo contenían una milésima parte de los elementos que se encuentran hoy día en el Sol, y de esta manera, cada generación de estrellas se hace cada vez más rica en elementos pesados.
En las galaxias actuales, hay un montón de estrellas y poco gas. En las primeras galaxias, había una gran cantidad de gas y pocas estrellas.
Según Johan Fynbo, "queremos entender mejor la historia de la evolución cósmica estudiando las primeras galaxias. Queremos medir lo grandes que son, lo que pesna y lo rápido que se forman las estrellas y los elementos”
El equipo de investigación ha estudiado una galaxia situada aprox. 11 mil millones años atrás en el tiempo con gran detalle. Detrás de la galaxia hay un quasar, un agujero negro activo más brillante que una galaxia. Utilizando la luz del quasar, encontraron la galaxia utilizando los telescopios gigantes del VLT, en Chile. El gas de la galaxia joven simplemente absorbe una enorme cantidad de la luz del quásar que está detrás de él. Aquí pudieron "ver" (es decir, a través de la absorción) las partes exteriores de la galaxia. Por otra parte, la formación estelar activa hace que una parte del gas se ilumine, permitiendo que pueda ser observado directamente.
Con el telescopio espacial Hubble también pudieron ver las estrellas recién formadas en la galaxia y pudieron calcular cuántas estrellas había en relación con la masa total, que es la suma de las estrellas y el gas. Encontraron que la proporción relativa de elementos pesados es la misma en el centro de la galaxia que en la parte exterior lo que demuestra que las estrellas que se forman antes en el centro de la galaxia enriquecen las estrellas de las partes exteriores con elementos pesados.
Los investigadores concluyen que "al combinar las observaciones de ambos métodos - absorción y emisión - hemos descubierto que las estrellas tienen un contenido en oxígeno equivalente a aproximadamente 1/3 del contenido en oxígeno del Sol. Esto significa que las generaciones anteriores de estrellas de la galaxia ya habían formado, hace 11.000 millones de años, los elementos que hicieron posible la formación de planetas similares a la Tierra".

To the left the quasar is in the centre, while the galaxy is seen to the left and slightly above. To the right, most of the light from the quasar is removed so the galaxy is seen more clearly.

“Galaxies are deeply fascinating objects. The seeds of galaxies are quantum fluctuations in the very early universe and thus, understanding of galaxies links the largest scales in the universe with the smallest. It is only within galaxies that gas can become cold and dense enough to form stars and galaxies are therefore the cradles of starsbirths”, explains Johan Fynbo, professor at the Dark Cosmology Centre at the Niels Bohr Institute at the University of Copenhagen.
Early in the universe, galaxies were formed from large clouds of gas and dark matter. Gas is the universe’s raw material for the formation of stars. Inside galaxies the gas can cool down from the many thousands of degrees it has outside galaxies. When gas is cooled it becomes very dense. Finally, the gas is so compact that it collapses into a ball of gas where the gravitational compresion heats up the matter, creating a glowing ball of gas – a star is born.
Cycle of stars
In the red-hot interior of massive stars, hydrogen and helium melt together and form the first heavier elements like carbon, nitrogen, oxygen, which go on to form magnesium, silicon and iron. When the entire core has been converted into iron, no more energy can be extracted and the star dies as a supernova explosion. Every time a massive star burns out and dies, it hence flings clouds of gas and newly formed elements out into space, where they form gas clouds that get denser and denser and eventually collapse to form new stars. The early stars contained only a thousandth of the elements found in the Sun today. In this way, each generation of stars becomes richer and richer in heavy elements.
In today’s galaxies, we have a lot of stars and less gas. In the early galaxies, there was a lot of gas and fewer stars.
According to Johan Fynbo, “we want to understand this cosmic evolutionary history better by studying very early galaxies. We want to measure how large they are, what they weigh and how quickly stars and heavy elements are formed”.
Early potential for planet formation
The research team has studied a galaxy located approx. 11 billion years back in time in great detail. Behind the galaxy is a quasar, which is an active black hole that is brighter than a galaxy. Using the light from the quasar, they found the galaxy using the giant telescopes, VLT in Chile. The large amount of gas in the young galaxy simply absorbed a massive amount of the light from the quasar lying behind it. Here they could ‘see’ (i.e. via absorption) the outer parts of the galaxy. Furthermore, active star formation causes some of the gas to light up, so it could be observed directly.
With the Hubble Space Telescope they could also see the recently formed stars in the galaxy and they could calculate how many stars there were in relation to the total mass, which is comprised of both stars and gas. They could now see that the relative proportion of heavier elements is the same in the centre of the galaxy as in the outer parts and it shows that the stars that are formed earlier in the centre of the galaxy enrich the stars in the outer parts with heavier elements.
The researchers conclude that “by combining the observations from both methods – absorption and emission – we have discovered that the stars have an oxygen content equivalent to approx. 1/3 of the Sun’s oxygen content. This means that earlier generations of stars in the galaxy had already built up elements that made it possible to form planets like Earth 11 billion years ago.”

Tomado de/Taken from Niels Bohr Institute