El James Webb descubre una galaxia masiva en espiral de gran diseño

Un equipo internacional de astrónomos ha detectado una nueva y masiva galaxia espiral de gran diseño, un tipo de galaxia que tiene brazos bien definidos y organizados. Su nombre: Zhúlóng.

Por Enrique Coperías

Recreación artística de Zhúlóng, la nueva galaxia masiva espiral de gran diseño encontrada con el telescopio James Webb de la Nasa.

El telescopio James Webb ha vuelto a sorprender al mundo de la astronomía con el descubrimiento de Zhúlóng, una galaxia espiral masiva de gran diseño que existió en el universo temprano, aproximadamente mil millones de años después del big bang.

Este hallazgo, que redefine las teorías sobre la formación galáctica, muestra cómo estructuras complejas pudieron desarrollarse rápidamente bajo las condiciones extremas del cosmos primitivo. Zhúlóng, bautizada así en honor a una deidad de la mitología china (Dragón Antorcha), presenta una combinación extraordinaria de propiedades que la convierten en una pieza clave para entender la evolución galáctica en los primeros mil millones de años del universo.

Desde un punto de vista estructural, Zhúlóng es la galaxia espiral más lejana descubierta hasta la fecha, con un redshift o desplazamiento al rojo de aproximadamente 5,2, lo que indica que la luz que vemos fue emitida hace más de 12.000 millones de años.

La morfología y el corrimiento al rojo fotométrico de Zhúlóng. Crédito: Xiao et al., 2024.

Una gaaxia con brazos de 62.000 años luz

Este tipo de galaxias, conocidas como espirales de gran diseño, se caracterizan por tener brazos espirales bien definidos que se extienden desde el centro hasta las regiones exteriores. En el caso de Zhúlóng, los brazos alcanzan un diámetro de 19 kilopársecs —aproximadamente 62.000 años luz—, lo que equivale a dimensiones similares a las de la Vía Láctea actual.

Sin embargo, lo que hace a Zhúlóng aún más notable es su bulbo central, un núcleo quiescente con una alta densidad de estrellas, rodeado por un disco activo donde aún se forman nuevas estrellas.

Este descubrimiento plantea un desafío directo a las teorías convencionales de formación galáctica. Antes del lanzamiento del James Webb, se creía que las galaxias con discos bien definidos y estructuras en espiral emergían relativamente tarde en la historia del universo, después de miles de millones de años de evolución.

La sorpresa galáctica del James Webb

Las observaciones realizadas con telescopios anteriores, como el Hubble, sugerían que los discos galácticos eran raros en el universo temprano. Sin embargo, el James Webb ha demostrado que estas estructuras complejas no solo existían mucho antes de lo esperado, sino que también tenían una masa y una organización sorprendentemente avanzadas.

Uno de los aspectos más destacados de Zhúlóng es su impresionante masa estelar: 63.000 millones de masas solares. Esto significa que tiene una masa estelar ligeramente mayor, pero está en el mismo rango de magnitud que la Vía Láctea actual. E indica que esta galaxia parió estrellas de manera extremadamente eficiente en un periodo de tiempo muy breve.

Para alcanzar este nivel de masa tan rápidamente, Zhúlóng debió convertir aproximadamente el 30% de los bariones —partículas subatómicas compuestas por tres quarks, como los protones y los neutrones, que forman la mayor parte de la materia visible en el universo— disponibles en su halo de materia oscura en estrellas, una eficiencia 1,5 veces mayor que la de las galaxias más eficientes observadas en épocas posteriores

Una galaxia en transición

Este nivel de eficiencia desafía los modelos tradicionales de evolución galáctica, que predicen tasas de formación estelar mucho más moderadas en el universo temprano.

A pesar de su notable capacidad de formación de estrellas, Zhúlóng presenta una tasa de formación estelar moderada en el momento en que fue observada. Con un ritmo de 66 masas solares por año, está aproximadamente 0,5 dex por debajo de la secuencia principal de formación estelar para galaxias de su desplazamiento al rojo.

Esto sugiere que Zhúlóng podría estar en un estado de transición, pasando de ser una galaxia activa a una quiescente, un proceso conocido como crecimiento de adentro hacia afuera. En este escenario, las estrellas primero se forman en el núcleo, creando un bulbo denso y masivo, mientras que la actividad estelar disminuye progresivamente hacia el disco exterior.

Un bulbo central de color rojo

Las observaciones realizadas con el James Webb revelaron que el bulbo central de Zhúlóng tiene una alta densidad estelar, lo que lo coloca entre los más densos observados hasta la fecha. Además, este bulbo presenta un color rojo característico, lo que indica la presencia de una población estelar antigua y la ausencia de actividad significativa de formación estelar. En contraste, el disco exterior tiene un color más azul, lo que refleja la presencia de estrellas más jóvenes y una actividad de formación estelar moderada.

Desde una perspectiva morfológica, Zhúlóng también es notable por su similitud con la Vía Láctea moderna, pero con una evolución diez veces más rápida. Mientras que la Vía Láctea tardó más de 10.000 millones de años en desarrollar su bulbo y disco estelares, Zhúlóng logró una estructura comparable en menos de mil millones de años.

Esta rapidez en la evolución plantea preguntas sobre los mecanismos que permitieron una organización tan avanzada en un entorno cósmico caracterizado por altas tasas de fusiones y densidades extremadamente altas.

Gradiente de población estelar desde el núcleo hasta la región exterior. Zhúlóng tiene un núcleo galáctico inactivo incrustado en un disco estelar de formación estelar. Crédito: Xiao et al., 2024.

Un aspecto clave del descubrimiento de Zhúlóng es la diversidad de morfologías entre las galaxias masivas del universo temprano. Aunque la mayoría de las galaxias masivas conocidas en esta época son compactas y carecen de discos bien definidos, Zhúlóng demuestra que también existían galaxias con estructuras más extensas y organizadas.

Esto podría indicar la existencia de diferentes vías evolutivas para las galaxias masivas, que dependen de factores como la distribución de materia oscura, la dinámica del gas y las interacciones gravitatorias, dicen los autores del estudio en Astronomy & Astrophysics.

Unas espirales precoces

El descubrimiento de Zhúlóng también tiene importantes implicaciones para la comprensión de los mecanismos que dan lugar a las estructuras espirales. En la actualidad, las espirales de gran diseño se encuentran principalmente en galaxias maduras del universo local, donde las interacciones gravitatorias dentro de los discos galácticos desempeñan un papel crucial en su formación.

La presencia de estas estructuras en una galaxia del universo temprano sugiere que los mecanismos responsables de las espirales pudieron operar mucho antes de lo que se pensaba, posiblemente favorecidos por la alta densidad de materia y las rápidas tasas de acumulación de gas.

El caso de Zhúlóng subraya la capacidad del telescopio James Webb para transformar nuestra comprensión del universo temprano. Gracias a su sensibilidad y resolución sin precedentes, el Webb ha permitido identificar galaxias que simplemente no eran visibles con telescopios anteriores, revelando una complejidad y diversidad que desafían los modelos cosmológicos actuales.

Además, la información obtenida de Zhúlóng contribuirá a ajustar los modelos de formación de galaxias y a explorar cómo las primeras estructuras se organizaron y evolucionaron en el cosmos. ▪️

• Fuente: Mengyuan Xiao et al. PANORAMIC: Discovery of an Ultra-Massive Grand-Design Spiral Galaxy at z∼5.2. arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2412.13264