REBELS-25: multi-phase morphology and kinematics at z = 7.31

En los primeros momentos del universo, el cosmos era un lugar oscuro y sin forma, lleno únicamente de gas de hidrógeno y helio. Durante cientos de millones de años, la gravedad comenzó a atraer este gas, encendiendo las primeras estrellas y forjando las primeras galaxias. Durante mucho tiempo, los astrónomos creyeron que estas galaxias tempranas eran lugares caóticos y desordenados. La teoría predominante sugería que, en los primeros mil millones de años de la historia cósmica, las galaxias eran demasiado jóvenes para haberse asentado en formas ordenadas. Se pensaba que eran colecciones turbulentas e inestables de gas y estrellas, en constante colisión y agitación, carentes de los discos lisos y giratorios que caracterizan a las galaxias maduras como nuestra propia Vía Láctea actual. Esta visión sostenía que tomaba miles de millones de años para que las galaxias se enfriaran, organizaran su gas y desarrollaran las elegantes estructuras rotatorias que vemos en el universo cercano.

Sin embargo, la llegada del Telescopio Espacial James Webb y del Atacama Large Millimeter/submillimeter Array ha comenzado a reescribir esta cronología. Estos poderosos instrumentos permiten a los científicos escudriñar la época de la reionización, un tiempo cuando el universo tenía menos de mil millones de años, y ver galaxias que parecen sorprendentemente maduras. La pregunta ahora no es solo si estas galaxias antiguas existen, sino cómo lograron ensamblar estructuras tan complejas con tanta rapidez. ¿Poseen realmente los discos tranquilos y rotatorios de las galaxias posteriores, o es su aparente orden una ilusión creada por la forma en que las observamos? Para responder a esto, los investigadores deben mirar más allá de la luz visible de las estrellas y examinar el polvo y el gas invisibles que a menudo ocultan la verdadera naturaleza de estos gigantes cósmicos.

Un equipo de astrónomos ha dirigido ahora su atención a una galaxia específica llamada REBELS-25, ubicada en un desplazamiento al rojo de 7.31. Esta distancia significa que la luz que vemos de ella partió de la galaxia cuando el universo tenía solo unos 700 millones de años. Estudios previos ya habían insinuado que REBELS-25 era un sistema masivo y de formación estelar con una estructura rotatoria, pero esas observaciones eran limitadas. Para obtener una imagen completa, los investigadores combinaron nuevas imágenes de alta resolución del Atacama Large Millimeter/submillimeter Array con datos del Telescopio Espacial James Webb. Observaron la galaxia a través de un amplio espectro de luz, desde el brillo ultravioleta de las estrellas jóvenes hasta el calor de la radiación infrarroja lejana proveniente del polvo y el gas. Al unir estas diferentes visiones, crearon un mapa detallado y tridimensional de la forma de la galaxia, sus condiciones internas y el movimiento de su gas.

Los resultados revelaron un contraste sorprendente entre cómo se ve la galaxia en diferentes tipos de luz. Cuando se observa en luz ultravioleta y óptica, que rastrea las estrellas calientes y jóvenes, REBELS-25 aparece grumosa e irregular. Los puntos más brillantes están dispersos por la galaxia, con algunos cúmulos brillantes ubicados a unos dos mil años luz del centro. Parece caótico, muy parecido a los sistemas turbulentos que los astrónomos esperaban encontrar en esta época temprana. Sin embargo, cuando los investigadores cambiaron su visión a la luz infrarroja lejana, que rastrea el polvo y el gas fríos, la imagen cambió por completo. En esta vista, la galaxia no es un desorden disperso, sino un disco liso y rotatorio. El polvo y el gas están concentrados en una región central, formando un disco exponencial casi perfecto que es mucho más ordenado de lo que sugieren las estrellas dispersas.

Esta diferencia dramática en la apariencia es causada por el polvo. El estudio encontró que las regiones centrales de la galaxia están fuertemente envueltas en polvo, lo que bloquea la luz ultravioleta y óptica de las estrellas ocultas en su interior. Los investigadores calcularon que la obstrucción por polvo oculta entre el 55 y el 98 por ciento de la formación estelar total de la galaxia. En el centro mismo, donde el polvo es más denso, casi toda la formación estelar es invisible para los telescopios ópticos. Los cúmulos brillantes vistos en el ultravioleta son probablemente solo la punta del iceberg, representando los bordes exteriores menos obstruidos de la galaxia donde las estrellas son visibles. El verdadero corazón de la galaxia, donde ocurre la actividad más intensa, está oculto tras un espeso velo de polvo, visible solo para los ojos infrarrojos de los observatorios.

A pesar de la apariencia caótica de las estrellas, el gas dentro de REBELS-25 cuenta una historia de notable estabilidad. Los investigadores analizaron el movimiento de dos tipos diferentes de gas: el gas cálido e ionizado que brilla en una línea infrarroja específica, y el gas neutro más frío que emite una señal infrarroja diferente. Descubrieron que ambos tipos de gas se mueven en el mismo patrón de rotación a gran escala. El gas no está dando vueltas aleatoriamente; está girando en un disco coherente. La relación entre el movimiento de rotación ordenado y el movimiento caótico y aleatorio es muy alta, lo que indica que el gas es "dinámicamente frío". Esto significa que la galaxia ya se ha asentado en una estructura estable y rotatoria, desafiando la expectativa de que las galaxias a esta edad deberían ser turbulentas y desordenadas.

El estudio también analizó la composición química de la galaxia para ver si los diferentes cúmulos eran sistemas separados chocando entre sí, o partes de una sola galaxia unificada. Midieron las proporciones de diferentes elementos químicos en el gas a través de los diversos cúmulos. Los resultados mostraron que las condiciones químicas son ampliamente similares en todas partes de la galaxia. El contenido de metales, que indica cuántos elementos pesados ha producido la galaxia, es alto y consistente en las diferentes regiones. Esta uniformidad sugiere que los cúmulos brillantes vistos en el ultravioleta no son galaxias separadas en proceso de fusión con historias distintas. En cambio, son probablemente regiones de formación estelar incrustadas dentro del mismo disco único y químicamente enriquecido. La galaxia parece ser un sistema unificado que ya ha procesado una cantidad significativa de su gas en elementos más pesados, alcanzando un nivel de madurez química comparable al de las galaxias encontradas mucho más tarde en la historia del universo.

Si bien la galaxia es en gran medida un disco liso y rotatorio, los datos muestran también algunos signos de complejidad. Hay indicios de movimientos no circulares y estructuras a pequeña escala que sugieren que la galaxia no es perfectamente suave. Podría haber una estructura similar a una barra en el centro, y el gas muestra algunos signos de flujos de entrada o salida. Estas características indican que, aunque la galaxia ha alcanzado un estado estable, todavía está ensamblándose y evolucionando activamente. No es un objeto estático, sino un sistema dinámico que continúa construyéndose a sí mismo, incluso mientras mantiene su orden general.

Los hallazgos para REBELS-25 desafían la visión largamente sostenida de que el universo temprano era un lugar de puro caos. Esta galaxia, que existe menos de mil millones de años después del Big Bang, es masiva, químicamente rica y dinámicamente fría. Posee una estructura de disco rotatorio que es sorprendentemente similar a las galaxias que se encuentran miles de millones de años después. El estudio demuestra que el polvo juega un papel crucial en la ocultación de la verdadera naturaleza de estos sistemas tempranos. Sin mirar a través del polvo con telescopios infrarrojos, los astrónomos habrían visto solo una colección de estrellas desordenada y grumosa y habrían perdido de vista el elegante disco giratorio oculto debajo.

Esta investigación resalta la importancia de observar las galaxias a través de múltiples longitudes de onda para comprender su verdadera naturaleza. Una sola vista puede ser engañosa, ocultando el orden subyacente tras un velo de polvo o cubriendo los detalles caóticos de la formación estelar. Al combinar el poder de diferentes telescopios, los científicos están comenzando a ver que el universo puede haberse organizado mucho más rápido de lo que se pensaba anteriormente. REBELS-25 es un testimonio de esta rápida evolución, mostrando que, incluso en las épocas más tempranas de la historia cósmica, algunas galaxias ya habían encontrado su ritmo, girando tranquilamente en la oscuridad.