¿Qué es una galaxia «desnuda» de medio interestelar?

Los astrónomos que utilizan el Telescopio Espacial James Webb han descubierto una galaxia extraordinaria de apenas 450 millones de años después del Big Bang que parece ser estructuralmente "desnuda". Conocida como U37126, este raro estallido estelar (starburst) está filtrando casi el 100 % de su radiación ionizante directamente al vacío cósmico. Este descubrimiento ofrece una visión inusual de los mecanismos que una vez despejaron la niebla primigenia del universo temprano, poniendo fin de manera efectiva a las edades oscuras cósmicas.

¿Qué es una galaxia con el ISM desnudo?

Una galaxia con el ISM desnudo es un sistema estelar que ha sido despojado de su medio interestelar (ISM), la reserva de gas y polvo que normalmente rodea a las estrellas y atrapa la radiación ionizante. En el caso de U37126, los investigadores descubrieron que la intensa actividad interna de la galaxia probablemente expulsó su gas, permitiendo que casi toda su luz escapara al espacio intergaláctico. Este estado representa una fase extrema y efímera de la evolución galáctica en la que la galaxia está esencialmente "al descubierto".

El equipo de investigación, dirigido por Abdurro'uf y colegas, incluidos M. Castellano y P. G. Pérez-González, identificó a U37126 como un caso de estudio único en el sondeo PRISMS. Al analizar datos espectroscópicos profundos, el equipo observó que la galaxia carece de las firmas espectrales estándar del gas nebular. Por lo general, las estrellas jóvenes están envueltas en nubes de hidrógeno que procesan la luz ultravioleta en líneas de emisión específicas; sin embargo, U37126 muestra una pendiente del continuo UV excepcionalmente azul (beta ~ -2,9), lo que sugiere que no queda gas que interfiera con la luz de sus estrellas masivas y jóvenes.

Las propiedades físicas de U37126 son tan compactas como extremas. Con un radio de solo 61 pársecs, es notablemente pequeña pero altamente productiva, exhibiendo una densidad superficial de la tasa de formación estelar de aproximadamente 400 masas solares por año por kilopársec cuadrado. Esta alta densidad sugiere que ocurrió un evento masivo de "estallido estelar" (starburst), generando suficiente energía de retroalimentación para expulsar físicamente el gas interestelar restante del núcleo de la galaxia. Este estado de "ISM desnudo" es lo que convierte a U37126 en un eslabón perdido crítico en nuestra comprensión de cómo las primeras galaxias interactuaron con su entorno.

¿Cómo ve el Telescopio Espacial James Webb 13.000 millones de años atrás?

El Telescopio Espacial James Webb ve 13.000 millones de años atrás al capturar luz infrarroja que se ha estirado, o experimentado un "corrimiento al rojo" (redshift), a medida que el universo se expande. Para la galaxia U37126, que existe en un corrimiento al rojo de z=10,255, su luz ultravioleta y visible se ha desplazado hacia el espectro infrarrojo cercano y medio. El enorme espejo primario del Webb y sus instrumentos enfriados criogénicamente le permiten detectar estos tenues y antiguos fotones con una sensibilidad sin precedentes.

Para confirmar la naturaleza de U37126, los investigadores utilizaron 11 horas de espectroscopia profunda del Mid-Infrared Instrument (MIRI) y el Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec). Debido a que U37126 se encuentra bajo el efecto de una lente gravitacional por un cúmulo en primer plano, su luz se magnifica por un factor de aproximadamente 2,2. Esta lupa cósmica natural, combinada con la sensibilidad del Telescopio Espacial James Webb, permitió al equipo ver la emisión óptica en el marco en reposo de la galaxia, que suele ser invisible para otros observatorios a distancias tan extremas.

La metodología consistió en buscar características del "salto de Balmer" y líneas de recombinación nebular como H-alfa y [OIII]. En una galaxia típica, estas líneas son indicadores brillantes de la formación estelar que ocurre dentro de las nubes de gas. En U37126, sin embargo, estas líneas estaban notablemente ausentes. Los límites superiores de 3 sigma para los anchos equivalentes de H-beta y H-alfa fueron excepcionalmente bajos, lo que confirma que la población estelar está esencialmente "desnuda" y carece de las nubes de gas circundantes que normalmente capturarían y reemitirían esta energía.

¿Qué es la fracción de escape del continuo de Lyman?

La fracción de escape del continuo de Lyman (fesc) mide el porcentaje de fotones ionizantes de alta energía que escapan de una galaxia en lugar de ser absorbidos por el gas interno. En U37126, se calcula que la fracción de escape es casi del 100 %, específicamente del 94 % (+/- 6 %). Este alto porcentaje significa que casi toda la radiación ionizante producida por sus estrellas se bombea directamente al medio intergaláctico circundante, impulsando el proceso de Reionización Cósmica.

Comprender el escape del continuo de Lyman (LyC) es vital porque explica cómo el universo temprano pasó de un estado neutro y opaco al estado transparente e ionizado que observamos hoy. Durante la Época de Reionización, la luz de alta energía de las primeras estrellas arrancó electrones de los átomos de hidrógeno en todo el cosmos. Hasta ahora, los astrónomos tenían dificultades para encontrar galaxias con valores de fesc lo suficientemente altos como para explicar esta transformación masiva. U37126 sirve como la "prueba irrefutable", demostrando que una clase específica de galaxias puede ser increíblemente eficiente para ionizar su entorno.

La alta fracción de escape en U37126 se atribuye a su eficiencia de producción de fotones ionizantes, medida en un valor logarítmico de 25,75 Hz erg^-1. Combinado con la falta de un medio interestelar que bloquee estos fotones, U37126 actúa como un faro cósmico. La investigación sugiere que si incluso una pequeña fracción de galaxias (aproximadamente del 3 % al 6 %) en el universo temprano compartiera estas propiedades de "ISM desnudo", podrían haber proporcionado entre el 50 % y el 100 % del presupuesto ionizante total necesario para completar la reionización de todo el universo.

Características estelares e implicaciones galácticas

La población estelar de U37126 está dominada por estrellas masivas y muy jóvenes que son significativamente más calientes y luminosas que las que se encuentran en el universo moderno. Al ajustar la Distribución de Energía Espectral (SED), el equipo estimó una masa estelar (corregida por la lente) de aproximadamente 63 millones de masas solares (10^7,8 Msun). Estas estrellas están empaquetadas en un volumen tan pequeño que la densidad superficial de masa estelar alcanza las 3.000 masas solares por pársec cuadrado, una concentración rara vez vista en épocas cósmicas posteriores.

Estos hallazgos sugieren que U37126 está experimentando una rápida transición evolutiva. La tasa específica de formación estelar (sSFR) se calcula en 160 Gyr^-1, lo que indica que la galaxia está duplicando su masa en una escala de tiempo increíblemente corta. Este modo "intermitente" (bursty) de formación estelar es probablemente lo que desencadena la retroalimentación extrema necesaria para despejar el ISM. A medida que estas estrellas masivas mueren en explosiones de supernova, crean vientos poderosos que expulsan el gas de la galaxia, creando la apariencia "desnuda" observada por el Telescopio Espacial James Webb.

¿Qué sigue para la investigación del universo temprano?

El descubrimiento de U37126 cambia el panorama de la astronomía extragaláctica al demostrar que los estallidos estelares "desnudos" fueron actores activos en el universo temprano. Los futuros sondeos se centrarán en determinar si U37126 es una anomalía única o un representante de una población más amplia de galaxias "con fugas". Si se encuentran más sistemas como este, se confirmaría que la reionización fue impulsada por un pequeño número de fuentes ionizantes extremadamente eficientes en lugar de un gran número de galaxias tenues y "normales".

Las próximas observaciones con el Telescopio Espacial James Webb apuntarán a candidatos similares brillantes en el UV a corrimientos al rojo más allá de z=10. Los astrónomos esperan mapear la distribución de estas galaxias "desnudas" para ver si residen en entornos cósmicos específicos, como regiones sobredensas donde las interacciones entre galaxias son más frecuentes. Esta investigación no solo ilumina los ciclos de vida de las primeras estrellas, sino que también proporciona la evidencia definitiva necesaria para resolver el misterio de larga data sobre cómo el universo se volvió transparente.

• Mediciones clave: Corrimiento al rojo z=10,255; fracción de escape de LyC >86 % (3-sigma); radio de la galaxia ~61 pc.
• Éxito instrumental: Una integración profunda de 11 horas utilizando MIRI y NIRSpec confirmó la ausencia de las firmas de gas esperadas.
• Impacto en la reionización: Galaxias como U37126 podrían dar cuenta de todo el presupuesto ionizante del universo temprano, incluso si representan solo el 5 % de la población total.