Crecimiento nuclear: fusiones de cúmulos estelares extremadamente densos

Las zonas más internas de las galaxias se caracterizan por ser uno de los entornos astrofísicos más extremos que conocemos. En ellas, el gas y las estrellas se han ido acumulando desde tiempos inmemoriales, miles de millones de años atrás en el pasado, cuando el embrión galáctico comenzó su desarrollo – pero también encontramos generaciones de estrellas más recientes, formadas como resultado del recurrente flujo de gas hacia las zonas nucleares galácticas. No es de extrañar, por tanto, que estas regiones alberguen los dos principales tipos de objetos masivos compactos: los agujeros negros supermasivos y los cúmulos estelares nucleares (NSC, por sus siglas en inglés).

Los NSCs son sistemas estelares con tamaños de varias decenas de años-luz, pero con un número de estrellas que puede oscilar entre diez mil y cien millones. En promedio, son más extensos y masivos que los cúmulos globulares, pero lo que realmente los convierte en extremos son sus inusitadas densidades estelares, en ocasiones excediendo las 100 000 estrellas en un volumen de un año-luz cúbico. Como referencia, ¡ese mismo volumen alrededor del Sol solo contiene a nuestra estrella!

Los NSC habitan en galaxias de prácticamente todas las masas, morfologías y contenido de gas, pero son particularmente comunes en galaxias de masa intermedia (mil millones de soles), donde aparecen en aproximadamente el 80% de los casos. Los escenarios de formación para estos sistemas extremadamente densos se dividen, grosso modo, en dos categorías. La primera involucra una formación in situ, donde corrientes de gas de alta densidad colisionan en el centro de la galaxia y desencadenan un brote de formación estelar altamente eficiente que da lugar al NSC. Este mecanismo se ha observado en galaxias masivas, donde se piensa que es predominante. La segunda categoría se refiere al proceso de fusión de cúmulos estelares, también densos pero menos masivos, que ya existieran con antelación en las regiones internas de la galaxia. Cuando la separación entre dos o más de estos cúmulos es suficientemente baja, la atracción gravitatoria mutua hace que orbiten entre sí, perdiendo energía con cada giro y aproximándose en una frenética espiral que irreversiblemente conducirá a su coalescencia. Este escenario de migración seguida de fusión debería ser predominante en galaxias de baja masa, principalmente por su menor contenido gaseoso, y debería manifestarse en la presencia de múltiples cúmulos estelares en volúmenes pequeños y en la existencia de colas de marea y otros rasgos característicos de las interacciones gravitatorias. Y, sin embargo, apenas teníamos evidencia observacional de que este fenómeno tuviera lugar.

En un trabajo publicado recientemente en la revista Nature y liderado por mis colaboradores, sacamos el máximo partido a la incomparable nitidez de las imágenes que proporciona el Telescopio Espacial Hubble (HST) para revelar la presencia de estructuras nucleares complejas en cinco galaxias enanas (entre una muestra de 80) que son compatibles con el mecanismo de fusión de cúmulos anteriormente descrito. Eso incluye desde la presencia de cúmulos dobles, que corresponderían a las primeras fases del estadio de migración, a estructuras más elongadas que se asemejan a colas de marea. Para sustanciar de manera más sólida la interpretación de estas observaciones, nuestro equipo llevó a cabo simulaciones numéricas que replican el proceso de fusión de cúmulos estelares con distintas propiedades iniciales. Las simulaciones son capaces de reproducir la apariencia de estas estructuras, lo que refuerza la interpretación de que estamos observando la migración y fusión de cúmulos estelares para dar lugar a NSC. Aún más, las simulaciones nos indican que el proceso de fusión se desarrolla de manera fugaz, apenas cincuenta millones de años desde el momento de primer contacto hasta la coalescencia final de los cúmulos. Esto explicaría la dificultad de observar este mecanismo, requiriendo grandes muestras de galaxias enanas observadas con suficiente nitidez y profundidad para revelar el proceso.

Ahora que nuestro proyecto ha abierto esta puerta y demostrado que las fusiones de cúmulos pueden tener lugar en cualquier instante de la historia del Universo, esperamos encontrar muchos más ejemplos en las imágenes que ya está generando el telescopio espacial Euclid, que en cada apuntado cubre un área doscientas veces mayor que la del HST pero con una nitidez igualmente extraordinaria. La comunidad ya se ha lanzado a la búsqueda de más sistemas que sirvan para consolidar este escenario. 

Rubén Sánchez Janssen es un astrofísico lagunero que se licenció y doctoró por la Universidad de La Laguna, con un proyecto de tesis desarrollado en el Instituto de Astrofísica de Canarias. Tras estancias postdoctorales en el Observatorio Europeo Austral (Chile) y el Instituto de Astrofísica Herzberg (Canadá), pasó casi una década en el Observatorio Real de Edimburgo (Escocia) liderando el desarrollo de nueva instrumentación astronómica para grandes telescopios, como el ELT. Actualmente es el director del Grupo de Telescopios Isaac Newton (ING) en la isla de La Palma. 

Sección coordinada por Adriana de Lorenzo-Cáceres Rodríguez.