Formación galáctica en el Universo: Downsizing

Cúmulo de galaxias MACSJ0717.5+3745. Crédito: NASA, ESA
y el equipo de HST Frontier Fields (STScI)

El modelo más aceptado actualmente para describir el Universo que nos rodea es el modelo de materia oscura fría con constante cosmológica (LCDM). De acuerdo a éste, las primeras galaxias en formarse serían las galaxias enanas, debido a la condensación de halos pequeños de materia oscura. Esto da lugar al escenario jerárquico de formación de estructuras, en el que primero se forman estas pequeñas galaxias que posteriormente fusionan y forman galaxias algo más masivas, para acabar formando los sistemas que actualmente conocemos. Esto nos llevaría a pensar que los sistemas más masivos que observamos se formaron recientemente, los de masa intermedia un poco antes, y los sistemas menos masivos que vemos ahora se tuvieron que formar antes, ¿verdad?

Pues bien, durante los años 90 y principios del nuevo siglo, astrofísicos empezaron a ver indicios que contradecían esta idea. Las galaxias que hoy día vemos más masivas se crearon antes (en un corto intervalo de tiempo) y en tiempos anteriores formaban estrellas a un ritmo mayor al de galaxias de menor masa, ritmo que a su vez es mayor que el ritmo al que hoy día se están formando estrellas. A este comportamiento se le conoció como "downsizing" (que en inglés puede significar "hacer pequeño" o "hacer recortes de personal en una empresa").

Variación del ritmo de formación estelar (eje y) con respecto 

al tiempo (eje x, izquierda es hoy, derecha es el comienzo del 

Universo) para galaxias masivas (arriba) hasta las menos masivas 

(abajo). Heavens et al. 2004.

Este comportamiento se puede ver claramente en la imagen de la derecha. Las galaxias más masivas (> 1012 masas solares) formaban estrellas a un buen ritmo hace 10 mil millones de años, ritmo que decayó rápidamente hasta ser casi inexistente hace mil millones de años. Sin embargo, y de manera progresiva, esta formación estelar era menor, a la vez que duraba más, para galaxias menos masivas, hasta llegar a las de más baja masa (< 1010), galaxias que siempre han formado estrella a un ritmo bajo (incluso hoy día). Pero claro, el comportamiento mostrado en esta imagen es a día de hoy (galaxias cercanas). Hoy vemos que las galaxias cercanas menos masivas forman más estrellas que las más masivas y que las más masivas se formaron antes que las menos masivas... ¿Será éste un comportamiento típico a cualquier época? La respuesta es sí y se encuentra en la siguiente imagen.

Evolución del ritmo de formación estelar (eje y) para galaxias que 

en ese momento (eje x) tenían baja (azul), intermedia (verde) 

o alta (rojo) masa. Juneau et al. 2005.

En la imagen de la izquierda lo que se estudió era similar a la imagen anterior, pero analizando galaxias que están lejos (a alto "redshift") y por lo tanto, que eran jóvenes (porque la luz que nos llega de ellas se emitió hace mucho tiempo, cuando éstas apenas se habían formado). Así, vemos que dado un momento cualquiera (por ejemplo redshift igual a 1, hace 8 mil millones de años), las galaxias que por aquel entonces eran menos masivas (azul) formaban estrellas a mayor ritmo que las más masivas (rojo), tal y como vemos hoy en día (están más arriba, mayor valor del eje y). Esto es así porque las galaxias más masivas, para entonces ya habían formado un buen número de estrellas y experimentado bastantes fusiones, consumiendo su contenido en gas y disminuyendo así su eficiencia en formar estrellas. Además, la pendiente de los puntos rojos (galaxias más masivas) es mayor que la de los puntos azules (galaxias menos masivas), sugiriendo una formación más rápida.

Durante los primeros años del siglo XXI se pensó que estos hallazgos nos decían que el modelo jerárquico en nuestra idea de Universo actual podría ser incorrecto. Sin embargo, este "downsizing" no supone el fin del modelo jerárquico de formación de galaxias. Sí, las galaxias más masivas se formaron antes y a un ritmo mayor que el de ahora, pero esto no quiere decir que no se formaran a partir de galaxias más pequeñas y menos masivas. Este fenómeno es solo consecuencia de las condiciones del Universo temprano (hace 8 mil millones de años). Con menos tiempo para expandirse tras el Big Bang, todo estaba mucho más apretado y rico en gas y polvo, por lo que las fusiones de galaxias enanas y la formación estelar sucedían a un alto ritmo, formando estructuras muy masivas muy rápidamente. Las galaxias más pequeñas y más aisladas que no evolucionaron tan rápido se convirtieron en las galaxias de baja masa que hoy día están formando aún estrellas a un ritmo inferior.

Para más información:

1- "Star Formation Histories of Dwarf Galaxies from the Colour-Magnitude Diagrams of Their Resolved Stellar Populations", 2010, Cignoni, M y Tosi, M. Advances in Astronomy, 158568.

2- "Global Star Formation History: A Local Group Perspective", 2001, Hopkins, A.M. et al. ApJ, 558, L31.
3- "New Insight on Galaxy Formation and Evolution From Keck Spectroscopy of the Hawaii Deep Fields", 1996, Cowie, L.L. et al., AJ, 112, 839.
4- "Cosmic Star Formation History and Its Dependence on Galaxy Stellar Mass", 2005, Juneau, S. et al. ApJ, 419, L135.
5- "GDDS Highlights: Galaxy Evolution Revealed", 2005, Crampton, D. Conference proceedings: "The Fabulous Destiny of Galaxies: Bridging Past and Present", Marseille, June 2005.
6- "On the Evolution of Star-forming Galaxies", 2004, Hopkins, A.M. ApJ, 615, 209.
7- "The star-formation history of the Universe from the stellar populations of nearby galaxies", 2004, Heavens, A. et al. Nature, 428, 6983, 625. Este artículo es altamente recomendable y explica el problema bastante bien.