Trobat un disc galàctic que es va formar poc després del Big Bang

Amb un potent radiotelescopi s’ha mirat enrere en el temps, no gaire després del Big Bang, per observar una galàxia que contenia un disc de gas fred en rotació, alimentant el debat sobre quan i com es van formar els discos a les galàxies.

Les galàxies són immensos sistemes units per la gravetat compostos per estrelles, pols, gas i “matèria fosca” invisible. Entendre com les galàxies s’han format i crescut amb el pas del temps és essencial per a entendre millor com la matèria s’uneix en grans estructures, una peça clau del trencaclosques en els nostres esforços per comprendre l’Univers. Un pas crucial per aconseguir aquest objectiu és obtenir una imatge clara de quan van aparèixer les estructures de disc per primera vegada a les galàxies. En un article a la revista Nature, Neeleman (i altres col·legues) presenten observacions que revelen un disc rotatiu massiu de gas fred dins d’una galàxia formant estels només 1.500 milions d’anys després del Big Bang. Això és considerablement anterior en la història del cosmos a l’existència dels discos de gas detectats fins ara.

D’acord amb coneixements actuals en cosmologia, les primeres estructures a gran escala a l’Univers eren “halos” esfèrics de matèria fosca que van col·lapsar sota la seva pròpia gravetat. El gas circumdant va caure dins aquests halos formant estrelles i, en última instància, galàxies. Es creu que els halos i les galàxies han continuat creixent junts per agrupació jeràrquica (fusionant-se) i mitjançant l’acreció de gas i la seva posterior conversió en estrelles. L’agrupació jeràrquica és senzilla i es considera que és prou ben entesa. Tot i això, encara hi ha molt debat sobre com es produeix exactament l’acreció de gas, com succeeix la seva conversió en estrelles i quina relació hi té amb la formació d’estructures físiques i dinàmiques a les galàxies al llarg del temps.

Un component clau d’aquest misteri és perquè algunes galàxies com la nostra Via Làctia, on s’hi estan formant estels, tenen estructures físiques dominades per discos d’estrelles i gas (Fig. 1), mentre que altres galàxies generalment més antigues i més tranquil·les no en tenen. La resposta està probablement molt lligada a la història de la formació de cada galàxia – concretament, a la importància relativa de la fusió jeràrquica (que pot afavorir o destruir el creixement del disc, segons les circumstàncies) i del creixement mitjançant l’acreció de gas (entre altres processos).

Es creu que l’acreció de gas es pot produir d’un mode de calent o fred. Tal com indiquen els noms, la diferència principal en aquests modes és si el gas està calent o fred quan cau cap al centre d’un halo de matèria fosca en una galàxia. El mode calent d’acreció produeix que els discos galàctics es formin tard, perquè es necessita una quantitat considerable de temps perquè el gas acumulat es refredi i finalment s’estableixi en un disc. En el mode d’acreció freda, el gas es manté fred en caure al centre de l’halo, de manera que és possible una formació del disc més ràpida.

Determinar quan van aparèixer els discos a les galàxies i amb quina freqüència, hauria de donar-nos una visió important de com va tenir lloc la creació de les primeres galàxies. Per fer-ho, s’han de trobar discs en galàxies cada cop més llunyanes, de manera que els investigadors puguin aprofundir més en el temps, cap al Big Bang. (La llum de galàxies més llunyanes triga més temps a arribar als nostres telescopis i detectors a la Terra que la llum de galàxies més properes i, per tant, proporciona informació sobre l’Univers més antic.) Això requereix instruments extremadament sensibles que proporcionin dades d’alta resolució. Els avenços moderns en tecnologia de detectors i telescopis i en el disseny d’instruments, han permès la detecció de discos de gas en galàxies massives que van existir al voltant de 3.000 milions d’anys després del Big Bang.

Per ampliar les observacions de gas a les galàxies fins a períodes fins i tot anteriors de la història còsmica, Neeleman va utilitzar l’Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA), un dels radiotelescopis més potents del món, situat al desert d’Atacama, al nord de Xile. Els investigadors van detectar la llum de gas fred en una galàxia emesa des fa uns 12.5 mil milions d’anys. En resoldre la llum a una escala d’1,3 kiloparsecs (aproximadament una sisena part de la distància del nostre Sol fins al centre de la Via Làctia) van poder examinar l’estructura i la cinemàtica del gas emissor amb un detall impressionant. A continuació, van utilitzar models analítics senzills però fiables per demostrar que les seves observacions són consistents amb la presència d’un disc de gas de rotació ràpida, coincident espacialment amb les estrelles i la pols de la galàxia.

Els resultats de Neeleman i els seus col·legues constitueixen algunes de les primeres proves observacionals de l’existència de discs de gas fred en galàxies massives molt aviat després del Big Bang, establint que els discs massius de gas podrien formar-se 1.500 milions d’anys abans del que les observacions anteriors havien indicat. El treball dels autors disminueix considerablement la frontera observacional per a l’estudi detallat de les propietats del gas espacial a les galàxies fins que l’Univers només tenia aproximadament una desena part de la seva edat actual.

El seu descobriment és intrigant quan es veu al costat dels resultats d’algunes simulacions numèriques de la formació de galàxies, el que suggereix que els discos no van començar a dominar en les galàxies de massa similar fins que l’univers tenia entre 4 i 6 mil milions d’anys. Tanmateix, coincideix amb l’expectativa teòrica que l’acreció freda hauria de ser dominant als inicis de la història de l’Univers. També lliga amb simulacions recents de més alta resolució que han vist aparèixer discos en èpoques còsmiques anteriors.

Una limitació d’aquest treball, quan es tracta de garantir la validesa de la nostra comprensió teòrica de la formació de galàxies o de posar a prova les diferents prediccions de simulacions numèriques, és que els autors han considerat només una galàxia. Es necessiten observacions similars de moltes més galàxies de la mateixa època abans de poder determinar si la galàxia estudiada és representativa de tota la població en aquell moment, o si és una excepció. A més, tot i que els resultats dels autors semblen no indicar escenaris d’acreció de mode calent per al creixement inicial de les galàxies, les seves dades no descarten explícitament altres maneres, a més de l’acreció freda, en què el gas fred es pugui transportar de manera eficient als centres dels halos com, per exemple, mitjançant la fusió de galàxies i els seus halos. Cal resoldre aquest problema amb més dades d’observació. No obstant això, les troballes de Neeleman i els seus col·legues emocionaran els astrònoms i obriran una nova època de la història de l’Univers per a l’estudi de la formació primerenca de galàxies.

(Crèdit /Font: Alfred Tiley / nature.com)