Las primeras imágenes de la red cósmica revelan la presencia insospechada de miles de millones de galaxias enanas

Figura 1: simulación cosmológica del Universo distante. La imagen muestra la luz emitida por los átomos de hidrógeno en la red cósmica en una región de aproximadamente 15 millones de años luz de diámetro. Además de la emisión muy débil del gas intergaláctico, se pueden ver varias fuentes puntuales: se trata de galaxias en proceso de formación de sus primeras estrellas. Crédito: Jeremy Blaizot / proyecto ESFINGE

• En el Universo, las galaxias se distribuyen a lo largo de filamentos de gas extremadamente tenues de millones de años luz de largo separados por vacíos, formando la red cósmica.
• El MUSE instrumento en el Very Large Telescope ha capturado una imagen de varios filamentos en el Universo primitivo...
• … revelando la inesperada presencia de miles de millones de galaxias enanas en los filamentos

Aunque los filamentos de gas en los que nacen las galaxias han sido predichos durante mucho tiempo por modelos cosmológicos, hasta ahora no hemos tenido imágenes reales de tales objetos. Ahora, por primera vez, se han observado directamente varios filamentos de la 'telaraña cósmica' usando el MUSE^{[ 1 ]} instrumento instalado en ESOEl Very Large Telescope de Chile. Estas observaciones del Universo primitivo, 1 a 2 mil millones de años después de la Big Bang, apuntan a la existencia de una multitud de galaxias enanas hasta ahora insospechadas. Realizado por una colaboración internacional liderada por el Centre de Recherche Astrophysique de Lyon (CNRS/Université Lyon 1/ENS de Lyon), también involucrando al laboratorio Lagrange (CNRS/Université Côte d'Azur/Observatoire de la Côte d'Azur),^{[ 2 ]} el estudio se publica en la revista Astronomía y Astrofísicas.

Figura 2: las 2250 galaxias del 'cono' del Universo observadas por MUSE se muestran aquí según la edad del Universo (en miles de millones de años). El período del Universo primitivo (0.8 a 2.2 mil millones de años después del Big Bang) explorado en este estudio se muestra en rojo. Las 22 regiones con sobredensidad de galaxias se indican mediante rectángulos grises. Las 5 regiones donde los filamentos se han identificado de manera más prominente se muestran en azul. Crédito: Roland Bacon/David Mary

La estructura filamentosa del gas hidrógeno en el que se forman las galaxias, conocida como red cósmica, es una de las principales predicciones del modelo del Big Bang y de la formación de galaxias [figura 1]. Hasta ahora, todo lo que se sabía sobre la red se limitaba a unas pocas regiones específicas, particularmente en la dirección de los cuásares, cuya poderosa radiación actúa como los faros de los automóviles, revelando nubes de gas a lo largo de la línea de visión. Sin embargo, estas regiones son poco representativas de toda la red de filamentos donde nacieron la mayoría de las galaxias, incluida la nuestra. La observación directa de la tenue luz emitida por el gas que forma los filamentos fue un santo grial que ahora ha sido alcanzado por un equipo internacional encabezado por Roland Bacon, investigador del CNRS en el Centro de Investigación Astrofísica de Lyon (CNRS/Universidad Lyon 1/ENS de Lyon).

Figura 3: uno de los filamentos de hidrógeno (en azul) descubierto por MUSE en el campo ultraprofundo del Hubble. Se encuentra en la constelación de Fornax a una distancia de 11.5 millones de años luz y se extiende a lo largo de 15 millones de años luz. La imagen de fondo es del Hubble. Crédito: Roland Bacon, David Mary, ESO y NASA

El equipo dio el paso audaz de apuntar el Very Large Telescope de ESO, equipado con el instrumento MUSE acoplado al sistema de óptica adaptativa del telescopio, a una sola región del cielo durante más de 140 horas. Juntos, los dos instrumentos forman uno de los sistemas más poderosos del mundo.^{[ 3 ]} La región seleccionada forma parte del Campo Ultraprofundo del Hubble, que era hasta ahora la imagen más profunda del cosmos jamás obtenida. Sin embargo, el Hubble ya ha sido superado, ya que el 40% de las galaxias descubiertas por MUSE no tienen equivalente en las imágenes del Hubble.

Figura 4: simulación cosmológica de un filamento formado por cientos de miles de pequeñas galaxias. La imagen de la izquierda muestra las emisiones producidas por todas las galaxias tal y como podría observarse in situ. La imagen de la derecha muestra el filamento como lo vería MUSE. Incluso con un tiempo de exposición muy largo, la gran mayoría de las galaxias no se pueden detectar individualmente. Sin embargo, la luz de todas estas pequeñas galaxias se detecta como un fondo difuso, como la Vía Láctea cuando se ve a simple vista. Crédito: Thibault Garel y Roland Bacon

Después de una meticulosa planificación, se necesitaron ocho meses para llevar a cabo esta excepcional campaña de observación. A esto le siguió un año de procesamiento y análisis de datos, que por primera vez reveló la luz de los filamentos de hidrógeno, así como imágenes de varios filamentos tal como eran entre uno y dos mil millones de años después del Big Bang, un período clave para comprender cómo galaxias formadas a partir del gas en la red cósmica [figuras 2 y 3]. Sin embargo, la mayor sorpresa para el equipo fue cuando las simulaciones mostraron que la luz del gas provenía de una población hasta ahora invisible de miles de millones de galaxias enanas que generaban una gran cantidad de estrellas [figura 4].^{[ 4 ]} Aunque estas galaxias son demasiado débiles para ser detectadas individualmente con los instrumentos actuales, su existencia tendrá consecuencias importantes para los modelos de formación de galaxias, con implicaciones que los científicos apenas comienzan a explorar.

Notas

1. MUSE, que significa Multi Unit Spectroscopic Explorer, es un espectrógrafo 3D diseñado para explorar el Universo distante. La construcción del instrumento estuvo a cargo del Centre de Recherche Astrophysique de Lyon (CNRS/Université Claude Bernard-Lyon 1/ENS de Lyon).
2. Otros laboratorios franceses implicados: Laboratoire d'Astrophysique de Marseille (CNRS/Aix-Marseille Université/CNES), Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie (CNRS/Université Toulouse III – Paul Sabatier/CNES).
3. Ver comunicado de prensa de ESO.
4. Hasta ahora, la teoría predecía que la luz provenía de la radiación de fondo ultravioleta cósmica difusa (radiación de fondo muy débil producida por todas las galaxias y estrellas) que, al calentar el gas en los filamentos, hace que brillen.

Referencia: "El campo extremadamente profundo de MUSE: la red cósmica en emisión con un alto desplazamiento al rojo" por R. Bacon, D. Mary, T. Garel, J. Blaizot, M. Maseda, J. Schaye, L. Wisotzki, S. Conseil , J. Brinchmann, F. Leclercq, V. Abril-Melgarejo, L. Boogaard, NF Bouché, T. Contini, A. Feltre, B. Guiderdoni, C. Herenz, W. Kollatschny, H. Kusakabe, J. Matthee, L. Michel-Dansac, T. Nanayakkara, J. Richard, M. Roth, KB Schmidt, M. Steinmetz, L. Tresse, T. Urrutia, A. Verhamme, PM Weilbacher, J. Zabl y SL Zoutendijk, 18 de marzo de 2021 , Astronomía y Astrofísica.
DOI: 10.1051 / 0004-6361 / 202039887