Descubriendo los secretos químicos de una galaxia con gran actividad de formación de estrellas

Mediante el Observatorio ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), situado en Chile, unos científicos han estado escrutando el centro de una galaxia que produce estrellas a un ritmo muy alto. Tras más de 300 horas de observación, hallaron más de cien especies moleculares, muchas más de las que se han detectado en estudios previos sobre puntos del cosmos de fuera de la Vía Láctea.

La alta sensibilidad del ALMA permitió identificar con éxito moléculas que representan varias etapas de la evolución estelar en la región central de esa galaxia, llamada NGC 253 y situada a unos 10 millones de años luz-de distancia de la Tierra. La alta resolución angular del ALMA posibilitó localizar las ubicaciones exactas.

Esta gran cantidad de datos ha permitido comprender mejor la física y la química de este tipo de galaxias. El aumento de la sensibilidad de banda ancha como parte de la hoja de ruta de desarrollo de ALMA 2030 hará que las observaciones de banda ancha de frecuencias como las de este estudio sean mucho más eficientes.

En el universo, algunas galaxias presentan una gran actividad de formación de estrellas, muy superior a la de nuestra galaxia, la Vía Láctea. A estas galaxias se les llama "galaxias con brote estelar", entre otras definiciones descriptivas.

Los fenómenos de brote estelar no duran para siempre. Sigue siendo un misterio cómo puede ocurrir exactamente una formación de estrellas tan prolífica y cómo termina. La posibilidad de que se formen estrellas depende de las propiedades de la materia prima de la que nacen, como el gas molecular, un material gaseoso compuesto por varias clases de moléculas. Por ejemplo, las estrellas se forman en regiones densas dentro de nubes moleculares donde la gravedad puede actuar de manera más efectiva. Algún tiempo después de la formación activa de estrellas, las estrellas existentes, así como las explosiones en las que otras estrellas mueren, transfieren energía al medio circundante, lo que podría obstaculizar la formación estelar futura. Estos procesos físicos influyen sobre la química de la galaxia en cuestión e imprimen una firma en la intensidad de las señales de las moléculas. Debido a que cada sustancia emite a frecuencias específicas, las observaciones en un amplio rango de frecuencias permiten analizar las propiedades físicas y obtener información sobre el mecanismo de los brotes estelares.

Recreación artística del centro de la galaxia NGC 253. (Imagen: ALMA (ESO / NAOJ / NRAO). CC BY 4.0)

La materia prima química detectada en NGC 253 es la más rica que se encuentra fuera de la Vía Láctea e incluye sustancias químicas que se han detectado por primera vez, como el etanol y un compuesto (PN) que contiene fósforo.

Este estudio se llevó a cabo en el marco de un programa denominado ALMA Comprehensive High-solving Extragalactic Molecular Inventory (ALCHEMI), dirigido por Sergio Martín del Observatorio Europeo Austral y del Observatorio ALMA, Nanase Harada del Observatorio Astronómico Nacional de Japón y Jeff Mangum del Observatorio Nacional de Radioastronomía de Estados Unidos.

En primer lugar, este estudio encontró que el gas molecular de alta densidad probablemente promoverá la formación activa de estrellas en esta galaxia. Cada molécula emite en múltiples frecuencias y la intensidad de su señal relativa y absoluta cambia según la densidad y la temperatura. Al analizar numerosas señales de algunas especies moleculares, la cantidad de gas denso en el centro de NGC 253 resultó ser más de diez veces mayor que la del centro de la Vía Láctea, lo que podría explicar por qué NGC 253 está formando estrellas unas 30 veces más eficientemente incluso con la misma cantidad de gas molecular.

Uno de los mecanismos que podría ayudar a la fusión de nubes moleculares en otras más densas es una colisión entre ellas. En el centro de NGC 253 es probable que se produzcan colisiones de nubes donde se cruzan corrientes de gas y estrellas, generando ondas de choque que viajan a velocidades supersónicas. Estas ondas de choque evaporan moléculas como el metanol y el HNCO, congelándose en partículas de polvo heladas. Cuando las moléculas se evaporan en forma de gas, se vuelven observables mediante radiotelescopios como los del Observatorio ALMA.

Ciertas sustancias químicas también sirven de huellas delatadoras de la formación estelar en curso. Se sabe que alrededor de las estrellas jóvenes abundan las sustancias orgánicas complejas. En NGC 253, lo descubierto en este estudio sugiere que la formación estelar activa crea un ambiente cálido y denso similar a los que se observan alrededor de estrellas jóvenes individuales (protoestrellas) en la Vía Láctea. La cantidad de sustancias orgánicas complejas en el centro de NGC 253 es similar a la que hay alrededor de las protoestrellas de la galaxia.

Además de las condiciones físicas que podrían promover la formación de estrellas, el estudio también reveló el duro entorno dejado por generaciones anteriores de estrellas, que podría ralentizar la futura formación de estrellas. Cuando las estrellas masivas mueren, provocan explosiones masivas conocidas como supernovas, que emiten partículas energéticas llamadas rayos cósmicos. La composición molecular de NGC 253 reveló que los rayos cósmicos han arrancado algunos de sus electrones a moléculas de esta región a un ritmo al menos 1000 veces mayor que cerca del sistema solar. Esto sugiere un considerable aporte de energía procedente de las supernovas, lo que dificulta que el gas se condense para formar estrellas.

Finalmente, el estudio ALCHEMI proporcionó un atlas de 44 especies moleculares, duplicando el número disponible en estudios anteriores fuera de la Vía Láctea. Al aplicar una técnica de aprendizaje automático (una modalidad de inteligencia artificial) a este atlas, los investigadores pudieron identificar qué sustancias permiten rastrear de manera más efectiva la historia de la formación estelar mencionada anteriormente, desde el principio hasta el final. Como se describió anteriormente con algunos ejemplos, ciertos compuestos ayudan a rastrear fenómenos como ondas de choque o gas denso, capaces de promover la formación de estrellas. (Fuente: Observatorio ALMA)