«Apuntamos las más de cuarenta antenas de 12m del Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) y el James Webb Space Telescope (JWST) de 6,5m durante varias horas a una posición del cielo que parecería totalmente vacía a simple vista, con el objetivo de captar una señal de uno de los objetos astronómicos más distantes conocidos hasta la fecha», explicó Jorge Zavala, astrónomo del Centro Regional de ALMA para Asia Oriental en el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ).
Esto, -agregó- detectó con éxito la emisión de átomos excitados de diferentes elementos como hidrógeno y oxígeno de una época nunca antes alcanzada. Es la primera vez que se detectan emisiones de este tipo en galaxias lejanas a más de 13.000 millones de años luz.
El inicio de este estudio se remonta a las primeras observaciones extragalácticas realizadas por JWST en 2022, a partir de las cuales se identificó un número sorprendentemente elevado de brillantes candidatas a galaxias lejanas, incluido el objetivo de estas observaciones: la galaxia GHZ2 (también conocida como GLASS-z12).
Es crucial confirmar y caracterizar las propiedades físicas de esta población de objetos lejanos brillantes para probar las teorías sobre la formación y evolución de las galaxias y comprender las fases más tempranas de la historia del ensamblaje de las galaxias. Sin embargo, para conocer su física interna se requieren observaciones astronómicas detalladas y sensibles y, en particular, de la espectroscopía, una técnica que permite a los astrónomos identificar características específicas que pueden relacionarse inequívocamente con elementos atómicos, moléculas o compuestos más complejos. Pero estas observaciones han resultado ser todo un reto en el caso de estas galaxias, lo que no es de extrañar, dado que se trata de los objetos astronómicos más distantes jamás detectados.
Las observaciones reportadas en estos trabajos, han permitido obtener algunos de los primeros hallazgos sobre la naturaleza de estas galaxias primigenias. La detección hecha por ALMA de la transición [OIII] 88μm del oxígeno doblemente ionizado sitúa a esta galaxia a un desplazamiento al rojo de z=12,333; aproximadamente 400 millones de años después del Big Bang, ¡esto es cuando el cosmos tenía sólo el 3% de su edad actual!
Esto corresponde a un tiempo de viaje de la luz de 13.400 millones de años: una detección sin precedentes. De hecho, este es el primer objeto astronómico detectado por ALMA en z>10 y la galaxia más distante con múltiples detecciones de líneas en todo el espectro electromagnético hasta la fecha. La disponibilidad de este conjunto de datos en combinación con las observaciones del JWST tomadas con los instrumentos NIRSpec y MIRI, permitió una caracterización sin precedentes de este objeto.
El equipo descubrió que esta galaxia está experimentando explosiones extremas de formación estelar en condiciones únicas que difieren de las de la población más amplia de galaxias con formación estelar estudiadas en las últimas décadas. La metalicidad inferida (abundancia relativa de elementos más pesados que el hidrógeno) es significativamente menor en comparación con la mayoría de las galaxias estudiadas hasta la fecha, un resultado esperado dada la temprana edad del Universo en ese momento, aunque ya ha alcanzado un 10% de la abundancia solar. Asimismo, tiene una población de estrellas jóvenes, lo que podría explicar su elevada luminosidad por la presencia de estrellas masivas y calientes de vida corta, ausentes en galaxias más evolucionadas.
Según las precisas mediciones de ALMA, la masa total de esta galaxia es de unos cientos de millones de veces la masa del Sol, y está encapsulada en una región sorprendentemente pequeña de alrededor de 100 pc (o incluso menos), lo que indica una alta densidad estelar similar a la de los Cúmulos Globulares (asociaciones masivas y gravitacionalmente ligadas de estrellas muy viejas que se encuentran en nuestra galaxia y en otras).
Las similitudes con esta enigmática población de objetos son realmente numerosas, incluyendo baja metalicidad, anomalías en la abundancia química, alta densidad superficial de la tasa de formación estelar y alta densidad superficial de la masa estelar, entre otras. Objetos como GHZ2 podrían, por tanto, ayudar a explicar el intrigante origen de los cúmulos globulares, cuya formación ha sido un misterio durante muchas décadas.
«Este estudio corona el esfuerzo de varios años para comprender las galaxias en el Universo primitivo», explicó Tom Bakx, investigador de la Universidad de Chalmers (Suecia) que anteriormente trabajaba en la Universidad de Nagoya, agregando que «estas observaciones allanan el camino para futuras investigaciones de objetos primordiales que revelen las fases más tempranas de la formación de galaxias».
«El análisis de múltiples líneas de emisión permitió varias pruebas clave de las propiedades de las galaxias, y demuestra las excelentes capacidades de ALMA a través de una emocionante y poderosa sinergia con otros telescopios como el JWST», concluyó Bakx.