En los centros de los cúmulos de galaxias actuales dominan las galaxias elípticas masivas, que hace tiempo cesaron la formación estelar. Sin embargo, a corrimientos al rojo altos, cuando el universo tenía unos dos mil millones de años, en los protocúmulos (los precursores de los cúmulos) son frecuentes las galaxias polvorientas con intensa formación estelar, consideradas probables progenitoras de esos gigantes elípticos. Los mecanismos que desencadenan el rápido crecimiento de masa y el posterior apagado de la formación estelar no estaban claros. Este trabajo llena ese vacío al combinar datos sobre el medio interestelar frío, la estructura estelar y la posición de las galaxias en los filamentos de la red cósmica dentro de un mismo protocúmulo, SSA22, a z=3.09. Junto a esta investigación, en el archivo hay trabajos sobre nubes de gas alrededor del centro de la Vía Láctea, sobre el pesaje de las nubes de Andrómeda y sobre el papel del gas neutro en las galaxias masivas tempranas, pero este artículo destaca porque por primera vez reúne observaciones de polvo, gas molecular y estructura estelar para una muestra de galaxias directamente vinculadas a los filamentos de la red cósmica.
Los autores recopilaron datos de 18 galaxias polvorientas con brotes de formación estelar (DSFG) en el campo ADF22, un sondeo profundo del núcleo del protocúmulo SSA22 a corrimiento al rojo 3.09. Se utilizaron observaciones multifrecuencia de ALMA (bandas 3, 4, 5, 6, 7 y 8) para medir el continuo de polvo y las líneas de CO, datos del JVLA en banda Ka para la línea CO(1–0), e imágenes del JWST/NIRCam y MIRI para la estructura estelar. Las distribuciones espectrales de energía en el infrarrojo lejano se reconstruyeron con el código bayesiano MERCURIUS, ajustando un modelo de cuerpo negro modificado ópticamente delgado. Para ocho galaxias con alta resolución espacial (alrededor de 1 kpc) se midieron las densidades superficiales de estrellas y polvo, utilizando los radios efectivos del JWST y ALMA. El gas molecular se estimó a partir de la luminosidad de CO(1–0) con un factor de conversión calibrado mediante la comparación con la masa de polvo. Luego se construyeron diagramas de la fracción de gas y del tiempo de agotamiento en función de la masa estelar, y se compararon con las relaciones de escala de campo, además de contrastar las DSFG con galaxias en reposo del mismo campo.
Las galaxias polvorientas abarcan dos órdenes de magnitud en luminosidad infrarroja lejana: desde 10^11 hasta 10^13 luminosidades solares, con una temperatura mediana del polvo de 25 K. Para ocho galaxias se encontró una correlación positiva entre la densidad superficial de estrellas y la de polvo, lo que indica un endurecimiento conjunto de los componentes estelar y gaseoso. La línea CO(1–0) se detectó en 12 galaxias, la CO(3–2) en las 18, y las líneas de alta excitación CO(8–7) y CO(9–8) en cuatro. La razón mediana de temperaturas de brillo CO(3–2)/CO(1–0) fue de 0.66, consistente con las galaxias de campo a los mismos corrimientos al rojo. La razón CO(8–7)/CO(3–2) correlaciona con la densidad superficial de la tasa de formación estelar, confirmando que la excitación del gas molecular está regulada por la formación estelar. Las galaxias de menor masa muestran un exceso en la fracción de gas y en el tiempo de agotamiento en comparación con las relaciones de campo, mientras que los sistemas masivos se sitúan en las dependencias de campo. El análisis conjunto de DSFG y galaxias en reposo reveló una secuencia que va desde sistemas ricos en gas con baja densidad superficial de estrellas hasta sistemas compactos pobres en gas y con alta densidad.
El trabajo conecta la evolución de las galaxias masivas con su posición en los filamentos de la red cósmica. A diferencia de estudios vecinos que se centraban en aspectos aislados (por ejemplo, nubes de gas o polvo), aquí por primera vez se miden simultáneamente polvo, gas molecular y estructura estelar para una misma muestra de galaxias en un protocúmulo, lo que permite seguir el ciclo bariónico desde la entrada de gas hasta el apagado de la formación estelar. La secuencia observada, desde discos gaseosos hasta sistemas compactos en reposo, proporciona una base observacional para el escenario en el que los filamentos de la red cósmica alimentan el crecimiento de las galaxias, y el cese de la acreción desencadena su extinción. Esto difiere de los trabajos que enfatizaban las fusiones o los procesos internos, y subraya el papel del entorno a gran escala.
El tema puede desarrollarse en varias direcciones. Primero, ampliar la muestra de DSFG con CO(1–0) en otros protocúmulos permitirá comprobar la universalidad de las relaciones encontradas. Segundo, obtener espectroscopía de alta resolución para medir la metalicidad eliminará la incertidumbre en el factor de conversión de CO a masa de gas. Tercero, las simulaciones numéricas que tengan en cuenta la red cósmica ayudarán a reproducir la secuencia observada y a identificar los mecanismos físicos del endurecimiento. Por último, las observaciones con futuros instrumentos, como el SKA, permitirán mapear el gas frío en los filamentos directamente y relacionarlo con las galaxias.
Los resultados influirán en la comprensión de la formación de galaxias masivas en entornos densos y en los modelos de evolución de cúmulos. También son importantes para la interpretación de sondeos profundos, como los ALMA Large Programs y las futuras observaciones del JWST.
Los próximos pasos incluyen obtener CO(1–0) para un mayor número de galaxias en el protocúmulo, medir la metalicidad para refinar el factor de conversión y buscar secuencias análogas en otros protocúmulos a z~2–3.
El trabajo aborda directamente el problema no resuelto del apagado de la formación estelar en galaxias masivas: hasta ahora no está claro qué proceso (agotamiento del gas, extinción morfológica o calentamiento del entorno) juega el papel principal. Aquí se muestra que en el protocúmulo SSA22 la transición desde la formación estelar activa hasta el reposo va acompañada de un endurecimiento simultáneo de la estructura estelar y del agotamiento del gas molecular, lo que respalda un escenario combinado. Sin embargo, sigue abierta la cuestión de la contribución de la retroalimentación de los núcleos galácticos activos, que se han detectado en seis DSFG y en una galaxia en reposo.
El campo ADF22 contiene filamentos de la red cósmica que son directamente visibles en la emisión de Lyman-alfa; son algunas de las primeras estructuras de este tipo descubiertas a corrimiento al rojo 3. En esos filamentos, las galaxias se alinean como cuentas de un collar, y su evolución depende de la distancia al centro del halo masivo.