Con participación del investigador del CATA, Manuel Aravena, un estudio comprobó que REBELS-25, galaxia vista cuando el cosmos tenía aproximadamente el 5% de su edad actual, ya guardaba una inmensa cantidad del material necesario para fabricar estrellas.

Por Marco Antonio Fre Faúndez. Un equipo internacional de astrónomos logró detectar directamente una gigantesca reserva de gas molecular frío en REBELS-25, una galaxia masiva observada cuando el Universo tenía solo unos 700 millones de años de edad. El hallazgo entrega nuevas pistas sobre cómo algunas de las primeras galaxias lograron crecer rápidamente durante una de las etapas más tempranas del cosmos.

La investigación contó con la participación de Manuel Aravena, Investigador Asociado del Centro de Astrofísica y Tecnologías Afines – CATA (Centro Basal de ANID) y académico de la Universidad Diego Portales (UDP). El estudio combinó observaciones obtenidas con el Very Large Array (VLA), en Estados Unidos, y el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), en Chile.

Mediante observaciones de monóxido de carbono (CO), molécula utilizada para rastrear la presencia de gas molecular, el equipo logró identificar una enorme proporción de gas en este sistema. Se trata, además, de la observación más lejana realizada hasta ahora de este tipo de señal. Aunque los astrónomos sospechaban que las primeras galaxias masivas debían contener grandes cantidades de este material para explicar su veloz desarrollo, no existían registros directos de estos depósitos a una distancia tan remota.

“REBELS-25 es especial porque la estamos viendo cuando el Universo tenía apenas unos 700 millones de años. Y aun así, no parece una galaxia en sus primeras etapas de formación, sino un sistema ya bastante desarrollado: tiene polvo, metales, una estructura dinámica relativamente ordenada y ahora observamos su enorme reserva de gas molecular frío”, explicó Aravena, quien también es investigador del Núcleo Milenio de Galaxias (MINGAL).

El astrónomo del CATA agregó que “lo más importante es que este material es el combustible directo para formar nuevas estrellas. Hallar tales cantidades de gas en una galaxia tan temprana nos dice que algunos sistemas del Universo primitivo fueron capaces de acumular material a gran velocidad. En otras palabras, REBELS-25 tenía el estanque lleno para seguir formando estrellas de manera intensa mucho antes de lo que uno podría imaginar”.

Una ventana al Universo primitivo

REBELS-25 se encuentra en la Época de la Reionización, un periodo crucial de la evolución cósmica durante el cual la radiación de las primeras estrellas y galaxias ionizó el hidrógeno neutro del Universo. Hasta entonces, este gas actuaba como una niebla que impedía el paso de la luz; al ionizarse, el cosmos se volvió progresivamente transparente y la luz pudo viajar libremente. Comprender cómo estos sistemas lograron acumular masa en tan poco tiempo constituye una de las preguntas centrales de la astronomía moderna.

Según Aravena, la detección permite ir más allá de las estimaciones indirectas utilizadas hasta ahora. “Muchas veces inferimos la cantidad de gas a partir del polvo, de la formación estelar o de otras líneas como carbono ionizado (CII). Pero, en este caso, estamos detectando CO, que es un trazador clásico del gas molecular. Eso nos permite confirmar con mayor certeza que algunas galaxias muy tempranas ya contaban con enormes depósitos de combustible y, por lo tanto, estaban listas para crecer a gran velocidad”, señaló.

This illustration traces the universe’s evolution from the Big Bang to the present day, highlighting REBELS-25, a very distant galaxy seen during the Epoch of Reionization 13 billion years ago. New deep observations with the NSF VLA and ALMA reveal that REBELS-25 already had an enormous reservoir of cool molecular gas—the direct fuel for star formation—when the universe was just 700 million years old.

Esta ilustración traza la evolución del universo desde el Big Bang hasta la actualidad, destacando REBELS-25, una galaxia muy lejana observada durante la Época de la Reionización, hace 13 000 millones de años. Nuevas observaciones en profundidad realizadas con el VLA de la NSF y ALMA revelan que REBELS-25 ya contaba con una enorme reserva de gas molecular frío —el combustible directo para la formación estelar— cuando el universo tenía tan solo 700 millones de años. Crédito: NSF/AUI/NSF NRAO/M.Weiss.

Superando límites de observación

Captar gas frío a estas distancias representa un enorme reto observacional, ya que la señal proveniente de las galaxias más lejanas es extremadamente débil. Para superarlo, el equipo combinó las capacidades de ALMA y del VLA.

“El VLA fue clave porque permitió observar una transición de baja excitación del monóxido de carbono -CO(3-2)-, que es una de las mejores formas de rastrear el gas molecular frío. ALMA, por su parte, permitió detectar una transición de mayor excitación -CO(7-6)-, además de aportar información sobre el polvo y la línea de CII. Al combinar ambas observaciones, no solo detectamos que hay gas molecular, sino que también podemos empezar a entender sus condiciones físicas”, explicó el investigador del CATA.

Aravena, además, enfatiza que “a las distancias observadas, el fondo cósmico de microondas es mucho más caliente y actúa como una especie de fondo brillante contra el cual debemos detectar el gas frío, lo que reduce el contraste de la emisión de CO y dificulta captar la señal. Estos resultados son importantes porque muestran que, con observaciones suficientemente profundas e instrumentos adecuados, aún podemos rastrear el gas frío en galaxias de esta época”.

Esta ilustración traza la evolución del universo desde el Big Bang hasta la actualidad, destacando REBELS-25, una galaxia muy lejana observada durante la Época de la Reionización, hace 13 000 millones de años. Nuevas observaciones en profundidad realizadas con el VLA de la NSF y ALMA revelan que REBELS-25 ya contaba con una enorme reserva de gas molecular frío —el combustible directo para la formación estelar— cuando el universo tenía tan solo 700 millones de años. Crédito: NSF/AUI/NSF NRAO/M.Weiss.

Los próximos desafíos

El equipo espera ahora profundizar este tipo de observaciones y extenderlas a un número mayor de galaxias de la Época de la Reionización. “REBELS-25 puede ser, apenas, la punta del iceberg, pero necesitamos saber si este enorme reservorio de gas es algo común en galaxias tempranas masivas o si es un caso excepcional. Esa comparación será clave para entender cómo se formaron las primeras galaxias grandes del Universo”, indicó Aravena.

Finalmente, el estudio remarca el potencial del Next Generation Very Large Array (ngVLA), que tendrá una capacidad única para este tipo de estudios. “Este instrumento tendrá mayor sensibilidad, lo que permitirá hacer mediciones mucho más rápido y sobre muestras más amplias de galaxias. Con el ngVLA podremos pasar de una detección notable a estudios estadísticos: medir cuánto gas frío albergan las galaxias del cosmos primitivo y cómo varía según su masa, su edad y su formación estelar”, concluye Manuel Aravena.