Figura: Región del cielo que muestra el protocolo PHz G237 y los miembros de la galaxia identificados. El panel izquierdo muestra una imagen multibanda (11 minutos de arco x 11 minutos de arco) que combina la imagen submilimétrica de Herschel a 350 micrones en rojo (trazador de formación de estrellas), la imagen de Spitzer a 3.6 micrones en verde (trazador de masa estelar) y el Imagen de rayos X XMM-Newton en azul (trazador de la acumulación de agujeros negros supermasivos). La región observada con el telescopio Subaru está delimitada por un rectángulo de trazos amarillos. Los miembros de la galaxia identificados mediante observaciones con el telescopio Subaru se muestran como diamantes amarillos, y las galaxias identificadas espectroscópicamente se muestran como círculos azul claro. El panel derecho muestra un zoom en la región central de 2,7 minutos de arco x 1,9 minutos de arco del protocolo (rojo: 2,14 micrones, verde: 2,07 micrones, azul: 1,25 micrones). Crédito: ESA / Herschel y XMM-Newton; NASA / Spitzer; Telescopio NAOJ / Subaru; Gran telescopio binocular; ESO / VISTA; Polletta y col. 2021; Koyama y col. 2021

Un equipo internacional de astrónomos ha informado del descubrimiento de una estructura que se cree que es un "protoglúmulo" de galaxias en camino de convertirse en un supercúmulo de galaxias. Ubicado a 11 mil millones de años luz de la Tierra, las observaciones muestran el protoglúster tal como apareció cuando el universo tenía 3 mil millones de años, durante una época en la que las estrellas se producían a tasas más altas en ciertas regiones del cosmos.

Incluso a las galaxias no les gusta estar solas. Si bien los astrónomos saben desde hace un tiempo que las galaxias tienden a congregarse en grupos y cúmulos, el proceso de pasar de la formación a los grupos amigos sigue siendo una cuestión abierta en cosmología.

En un artículo publicado en la revista Astronomy & Astrophysics, un equipo internacional de astrónomos informa sobre el descubrimiento de objetos que parecen ser una acumulación emergente de galaxias en proceso de formación, conocida como protoglúteo.

"Este descubrimiento es un paso importante para alcanzar nuestro objetivo final: comprender el ensamblaje de los cúmulos de galaxias, las estructuras más masivas que existen en el universo", dijo Brenda Frye, profesora asociada de astronomía en el Observatorio Steward de la Universidad de Arizona y co -autor del estudio.

Para citar un análogo local, la Vía Láctea, la galaxia que alberga nuestro sistema solar, pertenece a un cúmulo de galaxias conocido como Grupo Local, que a su vez es parte del supercúmulo de Virgo. Pero, ¿cómo era un supercúmulo como Virgo hace 11 mil millones de años?

"Todavía sabemos muy poco sobre los protoglúmulos, en parte porque son tan débiles, demasiado débiles para ser detectados por luz óptica", dijo Frye. Al mismo tiempo, se sabe que irradian intensamente en otras longitudes de onda, como la submilimétrica".

Una simulación de la red cósmica, una vasta "telaraña" tridimensional de filamentos de gas que se entrecruzan en el cosmos. En lugar de estar distribuidas al azar, las galaxias tienden a agruparse en los nodos de la red cósmica, representada por las regiones rojas, formando protoglústeres como G237. Crédito: Observatorio Internacional Géminis-NOIRLab-NSF-AURA-G. L. Bryan-M. L. Norman

Descubierto inicialmente por el telescopio Planck de la Agencia Espacial Europea como parte de un estudio de todo el cielo, este protocolo apareció de manera prominente en la región del infrarrojo lejano del espectro electromagnético. Examinando una muestra de más de 2000 objetos candidatos (estructuras que podrían estar en proceso de convertirse en grupos), los investigadores encontraron un protocolo designado como PHz G237.01+42.50, o G237 para abreviar. Las observaciones parecían prometedoras, pero para confirmar su identidad se requerían observaciones de seguimiento con otros telescopios.

Dirigido por Mari Polletta en el Instituto Nacional de Astrofísica, o INAF en Milán, Italia, el equipo realizó las observaciones utilizando la potencia combinada del Gran Telescopio Binocular en Arizona, que es administrado por UArizona, y el Telescopio Subaru en Japón. Como resultado de este estudio combinado, el equipo identificó 63 galaxias pertenecientes al protocolo G237. El descubrimiento original se publicó en un artículo, y también se obtuvieron observaciones de seguimiento utilizando datos de archivo, el Observatorio Espacial Herschel y el telescopio espacial Spitzer.

"Se puede pensar en los protocoles de galaxias como G237 como un astillero de galaxias en el que se están ensamblando galaxias masivas, sólo que esta estructura existía en un momento en que el universo tenía 3 mil millones de años", dijo Frye. "Al mismo tiempo, la genealogía puede estar más cerca de lo que cree. Debido a que el universo es homogéneo y el mismo en todas las direcciones, creemos que la Vía Láctea puede haberse acoplado en un nodo de protograma similar a G237 cuando era muy joven".

Al principio, las observaciones de G237 implicaron una tasa total de formación de estrellas que era irrealmente alta, y el equipo luchó por dar sentido a los datos. El Protocoloster G237 parecía estar formando estrellas a un ritmo 10.000 veces mayor que el de la Vía Láctea, señalan los autores. A ese ritmo, se espera que el protocúmulo utilice rápidamente su combustible estelar y posteriormente se establezca en un sistema complejo similar al supercúmulo de Virgo.

"Cada una de las 63 galaxias descubiertas hasta ahora en G237 era como una fábrica de estrellas a toda marcha", dijo Frye. "Es como si las galaxias estuvieran trabajando horas extras para ensamblar estrellas. La tasa de producción era insostenible. Como tal, se espera que las cadenas de suministro se rompan en un futuro cercano, y de una manera que cierre permanentemente el astillero de galaxias".

Estos altos rendimientos solo pueden mantenerse mediante una inyección continua de combustible, que para las estrellas es gas hidrógeno. Frye dijo que el resultado requería una cadena de suministro eficiente e ininterrumpida que absorbiera cantidades excesivamente grandes de gas fresco para alimentar las fábricas de formación de estrellas. "No sabemos de dónde venía ese gas", dijo.

Más tarde, el equipo descubrió que parte de la señal provenía de galaxias no relacionadas con el protoglúster, pero incluso después de que se eliminaron las señales irrelevantes, la tasa total de formación de estrellas se mantuvo alta, al menos mil masas solares por año, según Poletta. A modo de comparación, la Vía Láctea produce aproximadamente una masa solar cada año.

"La imagen que hemos reunido ahora es la de un astillero de galaxias exitoso que está trabajando con alta eficiencia para ensamblar galaxias y las estrellas dentro de ellas y tiene un suministro de energía que es más sostenible", dijo Frye.

Todas las galaxias del universo son parte de una estructura gigante que se asemeja a una forma de telaraña tridimensional llamada telaraña cósmica. Los filamentos de la red cósmica se cruzan en los nodos, lo que equivale a los astilleros de galaxias en la analogía utilizada aquí.

"Creemos que los filamentos median en la transferencia de hidrógeno gaseoso desde el medio difuso del espacio intergaláctico hacia estas estructuras de protoglúster de nueva formación hambrientas en los nodos", dijo Frye.

Apuntando a futuras investigaciones, Polletta dijo: "Estamos en el proceso de analizar más observaciones sobre este y otros protocolos de Planck con el objetivo de rastrear el gas que da a luz a estas estrellas recién formadas y alimenta a los agujeros negros supermasivos, para determinar su origen y explicar la actividad extraordinaria observada".

Frye dijo que espera combinar datos del Gran Telescopio Binocular con observaciones planificadas utilizando el Telescopio Espacial James Webb, que se lanzará en diciembre.

"Los protocolos ofrecen una oportunidad para investigar preguntas clave en astronomía que solo este nuevo observatorio puede responder", dijo, "como qué mecanismos impulsan la prodigiosa formación estelar y cuándo se agotará el suministro de hidrógeno, lo que obligará a este astillero de galaxias a cerrar su puertas y convertirse en un supercúmulo similar al de nuestra Vía Láctea?".

Más información: Yusei Koyama et al, A Planck-selected dusty proto-cluster at z = 2.16 associated with a strong overdensity of massive Hα-emitting galaxies, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters (2021). DOI: 10.1093/mnrasl/slab013

M. Polletta et al, Spectroscopic observations of PHz G237.01+42.50: A galaxy protocluster at z = 2.16 in the Cosmos field, Astronomy & Astrophysics (2021). DOI: 10.1051/0004-6361/202140612

Información sobre la revista: Astronomy & Astrophysics, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Letters
Fuente: Large Binocular Telescope Observatory