Un equipo científico internacional liderado por el Centro de Astrobiología (CAB, CSIC-INTA), en el que participa el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC), ha estudiado con el Gran Telescopio Canarias (GTC) una muestra representativa de galaxias de disco y esferoidales (sin disco) presentes en una zona del cielo profundo localizada en la constelación de la Osa Mayor para caracterizar las propiedades de las poblaciones estelares de los bulbos galácticos. De esta forma, los investigadores han sido capaces de determinar cómo se han formado y desarrollado esas estructuras galácticas. Los resultados de este estudio se han publicado recientemente en la revista The Astrophysical Journal.

Los investigadores han centrado su estudio en las galaxias masivas, de disco y esferoidales, utilizando los datos espaciales procedentes del telescopio espacial Hubble y los datos espectrales procedentes del proyecto SHARDS (Survey for High-z Absorption Red and Dead Sources), un programa de observaciones de toda la región GOODS-N (Great Observatories Origins Deep Survey – North),  en 25 filtros diferentes realizado con el instrumento OSIRIS del Gran Telescopio Canarias (GTC), el mayor telescopio óptico e infrarrojo del mundo situado en el Observatorio del Roque de los Muchachos (Garafía, La Palma).

El análisis de los datos ha permitido al equipo científico descubrir algo inesperado: los bulbos de las galaxias de disco se formaron en dos oleadas. Un tercio de los bulbos en galaxias de disco se formaron en torno a un desplazamiento al rojo igual a 6.2, lo que corresponde a una época temprana del Universo, cuando este solo tenía un 5% de su edad actual, unos 900 millones de años. “Esos bulbos son las reliquias de las primeras estructuras formadas en el Universo, que hemos hallado escondidas en galaxias de disco cercanas”, señala Luca Costantin, investigador del CAB a través del programa de Atracción de Talento de la Comunidad de Madrid y autor principal del estudio.

Por otro lado, casi dos tercios de los bulbos observados presentan un valor medio del desplazamiento al rojo en torno a 1.3, lo que sugiere que su formación es mucho más reciente, correspondiente a unos cuatro mil millones de años o casi un 35% de la edad del Universo.

Una característica peculiar que permite distinguir entre ambas olas es que los bulbos centrales de la primera, los más antiguos, son más compactos y densos que los formados en la segunda, más recientes. Por su parte, los datos procedentes de las galaxias esferoidales de la muestra evidencian un valor medio de desplazamiento al rojo de 1.1, lo que parece indicar que se formaron en la misma época que los bulbos de la segunda ola.

Para Jairo Méndez Abreu, investigador de la Universidad de Granada (UGR) y coautor del artículo y anteriormente investigador postdoctoral Severo Ochoa del IAC, “la idea que hay detrás de la técnica utilizada para observar las estrellas del bulbo central es bastante simple, pero ha sido imposible aplicarla hasta el reciente desarrollo de metodologías que han permitido separar la luz procedente de las estrellas del bulbo central de las del disco, en concreto los algoritmos GASP2D y C2D, que hemos desarrollado recientemente y que nos han permitido alcanzar una precisión sin precedentes”.

Otro resultado importante del estudio es que las dos olas de formación de bulbos no solo se distinguen en términos de edades estelares, sino también en términos de ritmos de formación estelar. Los datos indican que las estrellas de los bulbos de la primera ola se formaron rápidamente, en escalas de tiempo típicas de 200 millones de años. Por el contrario, una fracción significativa de las estrellas de los bulbos de la segunda ola requirió tiempos de formación hasta cinco veces más largos, del orden de mil millones de años.

“Hemos encontrado que el Universo tiene dos maneras de formar la parte central de galaxias como la nuestra: empezando pronto y dándose mucha prisa, o tomándose su tiempo para comenzar y acabar también formando un gran número de estrellas en lo que se conoce como el bulbo”, comenta Pablo G. Pérez González, investigador del CAB e investigador principal del proyecto SHARDS, que ha proporcionado datos esenciales para este estudio. En palabras de Antonio Cabrera, jefe de Operaciones Científicas del GTC, “SHARDS es un ejemplo perfecto de lo que permite la combinación de la enorme capacidad colectora del GTC y las extraordinarias condiciones del Observatorio del Roque de los Muchachos, al producir 180 horas de datos con una excelente calidad de imagen, imprescindible para detectar los objetos aquí analizados”.

Como señala Paola Dimauro, investigadora del Observatório Nacional de Brasil y coautora del trabajo, “este estudio ha permitido explorar la evolución morfológica y la historia del ensamblaje de los componentes estructurales de las galaxias, al modo de los estudios arqueológicos, analizando la información codificada en los millones de estrellas de cada galaxia. Lo interesante ha sido hallar que no todas las estructuras han surgido en el mismo momento, ni de la misma manera”.

Los resultados del estudio permiten establecer un curioso paralelismo entre la formación y evolución a lo largo del tiempo de las galaxias de disco estudiadas y la creación y desarrollo de una gran ciudad a lo largo de los siglos. Así, igual que observamos que algunas grandes ciudades cuentan con un centro histórico, más antiguo y que alberga los edificios más viejos en calles abigarradas y estrechas, los resultados de este trabajo sugieren que algunos de los centros de galaxias masivas de disco albergan en realidad algunos de los esferoides más antiguos formados en el Universo, que han ido adquiriendo nuevo material formando discos, nuevos barrios periféricos en nuestra analogía, más lentamente.

El Gran Telescopio Canarias y los Observatorios del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) forman parte de la red de Infraestructuras Científicas y Técnicas Singulares (ICTS) de España.

Artículo: Luca Costantin, Pablo G. Pérez-González, Jairo Méndez-Abreu, Marc Huertas-Company, Paola Dimauro, et al. “A duality in the origin of bulges and spheroidal galaxies”. The Astrophysical Journal. DOI: https://doi.org/10.3847/1538-4357/abef72

- Arxiv: https://arxiv.org/abs/2103.10438

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