La estructura en forma de X más antigua en una galaxia: el JWST observa 7.600 millones de años atrás
Las galaxias de disco, como la Vía Láctea, evolucionan mediante una secuencia de procesos internos: el disco estelar forma una barra, la barra canaliza gas hacia el centro creando un disco estelar nuclear, y luego la barra se engrosa verticalmente formando un bulbo en X. Durante mucho tiempo se pensó que esta evolución ocupaba la mayor parte de la historia cósmica. Sin embargo, las observaciones del telescopio James Webb mostraron una galaxia con un corrimiento al rojo de 0,92 (hace 7.600 millones de años) que ya posee un bulbo en X, un disco estelar nuclear y un disco extenso. Su geometría y el tamaño estimado de la barra son indistinguibles de los parámetros de las galaxias barradas modernas. Por lo tanto, la fase principal de la evolución inducida por la barra se completó cuando la edad del Universo era menor de la mitad de la actual, lo que impone fuertes restricciones a las escalas temporales de la evolución dinámica de las galaxias.
Context
Las galaxias de disco galaxias, como nuestra Vía Láctea, siguen una compleja evolución: el gas, principalmente hidrógeno, y las estrellas se agrupan en un fino disco en rotación; luego, la inestabilidad gravitatoria crea una barra alargada. La barra, como una batidora gigante, mezcla la materia, canalizando gas hacia el centro y desencadenando la formación de un disco estelar nuclear. Con el tiempo, cuando la barra se vuelve lo bastante masiva, pierde estabilidad: su parte interior ‘se abomba’ y adquiere la característica forma de X, visible de canto. Este proceso, llamado evolución secular, se creía que tomaba miles de millones de años y solo se completaba en el universo maduro. Sin embargo, los plazos exactos seguían sin conocerse. Ya Edwin Hubble demostró que el corrimiento al rojo nos permite mirar al pasado, y ahora, gracias a la energía oscura que acelera la expansión, sabemos que hace 7.600 millones de años la materia oscura ya había agrupado suficiente material para formar estas estructuras.
Methods
Los científicos emplearon imágenes del telescopio espacial JWST en ocho filtros del infrarrojo cercano, obtenidas dentro del cartografiado PRIMER, así como datos de archivo del Hubble y espectroscopía de alta resolución del instrumento NIRSpec para medir con precisión el corrimiento al rojo (z=0,92331±0,00003). La galaxia UDS 12999 se observa prácticamente de canto, lo que permitió aislar la estructura vertical y estimar el grosor del disco. Para separar el bulbo en X del disco y del componente central, se aplicó un modelado multicomponente: a las imágenes en cada filtro se les sustrajo un modelo de disco exponencial y de núcleo compacto, y la estructura en X residual se describió con un perfil de Sérsic con un modo azimutal m=4, que genera cuatro brazos simétricos. El modelado de la distribución espectral de energía mediante el código Prospector proporcionó la historia de formación estelar y la masa estelar acumulada.
Results
El análisis mostró que la galaxia UDS 12999, con una masa de aproximadamente 7,7×10^10 masas solares —ya comparable a la Vía Láctea en aquel entonces—, posee todas las características de una evolución secular completada. Los parámetros del bulbo en X (relación de ejes 0,72 y longitud del eje mayor 4,5 kpc) y el tamaño estimado de la barra (11,8+5,5−4,0 kpc) se ajustan con precisión a las relaciones locales derivadas para galaxias actuales. En el centro se detectó un disco estelar nuclear con un radio de 812 parsecs y una elipticidad de 0,72, típico de los productos del flujo de gas a lo largo de la barra. Las poblaciones estelares de la estructura en X y del disco externo son similares, pero en el bulbo la formación estelar cesó hace unos 270 millones de años, lo que respalda el escenario de que se formó a partir de estrellas del disco «expulsadas» hacia órbitas estables por las resonancias de la barra. La historia de formación estelar indica una intensa creación de estrellas, con tasas de hasta 50 M☉/año hace más de 13.000 millones de años, seguida de un declive: la galaxia acumuló la mitad de su masa en apenas 3.800–5.400 millones de años tras el Big Bang y luego entró en una fase de formación estelar suprimida.
Implications
El hallazgo revela que las fases clave de la evolución secular —la formación de la barra, el disco nuclear y el bulbo en X— pueden completarse mucho antes de lo que se pensaba. Es una confirmación independiente de que los sistemas de disco masivos son capaces de estabilizarse rápidamente y generar barras duraderas ya en el universo primitivo, lo cual concuerda con simulaciones recientes y observaciones de barras a z~3, pero añade un elemento crítico: la estructura vertical. Una evolución tan rápida requiere que los bariones dominen en las regiones internas, lo que intensifica la inestabilidad gravitatoria y acelera la dinámica, tal como predijeron los trabajos de Vera Rubin sobre la rotación galáctica, que subrayaban la importancia de la distribución de masa.
Future development
Futuras observaciones del JWST en campos profundos, como los que inspiraron a la pionera de la astronomía extragaláctica Edwin Hubble, permitirán encontrar bulbos en X aún más lejanos, y la espectroscopía de alta resolución con telescopios actuales y futuros medirá la cinemática de las estrellas y el gas para confirmar directamente la presencia de la barra y su edad. El análisis combinado con datos de lente gravitacional y simulaciones numéricas en supercomputadoras ayudará a precisar la física de las inestabilidades del disco y el papel de la materia oscura en este proceso. Quizás estemos a punto de revisar la escala temporal de la evolución galáctica, donde la fase activa de la evolución impulsada por barras termina apenas unos miles de millones de años después del Big Bang.
Impact
Los resultados influirán en las teorías de formación de galaxias, en los modelos cosmológicos de evolución de la estructura a gran escala, en la interpretación de los datos del JWST y en la comprensión de la historia de nuestra Vía Láctea, de la que se cree que experimentó una evolución similar en la misma época.
Next steps
Búsqueda de galaxias similares con corrimientos al rojo aún mayores (z > 1,5) y obtención de espectroscopía de alta resolución para un modelado cinemático detallado de UDS 12999.
Key open problems
Este resultado está directamente relacionado con el problema de la época de formación de las galaxias de disco y el momento de inicio de la evolución secular, así como con el papel de la materia oscura y la física bariónica en los albores del universo. Desafía los escenarios estándar, donde los bulbos en X aparecen solo después de z~0,7, y afina las predicciones del modelo cosmológico que surge de la hipótesis del átomo primigenio de Georges Lemaître.
🎯 El bulbo en X no es solo una forma: las estrellas en su interior se mueven en órbitas complejas que recuerdan a un ‘reloj de arena’. Si pudiéramos ver la Vía Láctea de canto, también observaríamos esa estructura; de hecho, fue descubierta en nuestra Galaxia en la década de 2010 gracias a los datos del telescopio infrarrojo WISE. ¿Sabías que nuestra Vía Láctea también tiene una barra de unos 4–5 kpc de largo y que su edad podría ser comparable a la de UDS 12999?
Key numbers
- Corrimiento al rojo: 0,92331 ± 0,00003
- Tiempo después del Big Bang: 6.200 millones de años
- Masa de la galaxia: 7,7 × 10^10 M☉
- Tamaño de la barra: 11,8 (+5,5, -4,0) kpc
- Tasa de formación estelar en el pico: hasta 50 M☉/año