Las ondas de choque generadas por la violenta colisión entre una galaxia intrusa y el Quinteto de Stephan están ayudando a la comunidad astronómica a entender cómo la turbulencia incide en el gas presente en el medio intergaláctico. Las nuevas observaciones realizadas con el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) y el telescopio espacial James Webb revelaron que una explosión sónica varias veces más grande que la Vía Láctea dio origen a un proceso de reciclaje de gas de hidrógeno molecular frío y caliente. También se observó la desintegración de una nube gigante que se convirtió en una niebla de gas caliente, así como la posible colisión de dos nubes que dejaron una mancha de gas caliente a su alrededor y la formación de una nueva galaxia. Los resultados de estas observaciones se presentaron durante una conferencia de prensa en la asamblea 241 de la Sociedad Astronómica de Estados Unidos (AAS, en su sigla en inglés) en Seattle (Washington, Estados Unidos).

El Quinteto de Stephan es un grupo de cinco galaxias (NGC 7317, NGC 7318a, NGC 7318b, NGC 7319 y NGC 7320) ubicadas a unos 270 millones de años luz de la Tierra, en la constelación de Pegaso. Este grupo sirve como un laboratorio ideal para estudiar las colisiones galácticas y su impacto en el entorno. Por lo general, las colisiones y fusiones galácticas desencadenan un brote de formación estelar, algo que no sucede en el Quinteto de Stephan. En cambio, la turbulenta actividad se desarrolla en el medio intergaláctico, lejos de las galaxias, en lugares donde la tasa de formación estelar es muy baja o incluso nula, lo cual favorece la observación astronómica.

Al tener una vista tan limpia de esa zona, la comunidad astronómica ha podido observar lo que sucede mientras una de las galaxias, NGC 7318b, se incorpora de forma violenta al grupo, a una velocidad relativa de unos 800 kilómetros por segundo. A esa velocidad, un viaje de la Tierra a la Luna tardaría apenas 8 minutos. “Mientras entra en colisión con el grupo, esta intrusa choca con un antiguo penacho de gas, dejado probablemente por la interacción entre otras dos galaxias, y genera una enorme onda de choque”, explica Philip Appleton, astrónomo y científico senior del IPAC de Caltech, quien dirigió el proyecto de investigación. “Al pasar por este denso penacho, la onda de choque forma una capa turbulenta, o inestable, de enfriamiento, y es en las zonas afectadas por esta violenta actividad donde vemos estructuras inesperadas y un proceso de reciclaje de gas de hidrógeno molecular. Esto es importante porque el hidrógeno molecular crea la materia prima que, en última instancia, permite formar estrellas, de ahí que conocer su evolución nos permita entender mejor la evolución del Quinteto de Stephan y de las galaxias en general”. 

Las nuevas observaciones, realizadas con la Banda 6 de ALMA (el receptor de longitud de onda de 1,3 mm desarrollado por el Observatorio Radioastronómico Nacional [NRAO] de la Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos [NSF]), permitieron a la comunidad científica obtener una vista extremadamente detallada de tres regiones clave y, por primera vez, entender con claridad cómo el gas de hidrógeno se desplaza y se estructura de forma continua.

“El poder de ALMA se vuelve obvio en estas observaciones, que permiten a la comunidad astronómica hacer nuevos hallazgos y entender mejor estos procesos, hasta ahora desconocidos”, celebra Joe Pesce, Program Officer de ALMA en la Fundación Nacional de Ciencia de Estados Unidos (NSF).

En el centro de la onda de choque principal, una región conocida como Campo 6, se observó una enorme nube de gas hecha de moléculas frías siendo desintegrada y estirada para formar un largo penacho de hidrógeno molecular caliente, un proceso que se repite una y otra vez. “Lo que vemos es la desintegración de una enorme nube de moléculas frías que forman un gas supercaliente, y, curiosamente, el gas no sobrevive al choque, sino que pasa de forma reiterada por etapas calientes y frías. Todavía no entendemos del todo estos ciclos, pero sabemos que el gas está siendo reciclado, porque la longitud del penacho es mayor que lo que se demoran en destruirse las nubes a partir de las cuales se forma”, señala Philip Appleton.

Esta planta de reciclaje intergaláctico no es la única actividad extraña causada por las ondas de choque. En la región conocida como Campo 5, se observaron dos nubes de gas conectadas por un flujo de gas de hidrógeno molecular caliente. Curiosamente, una de las nubes, que parece una bala de gas de hidrógeno frío que choca a gran velocidad con una gran estructura filamentosa de gas, creó un anillo en la estructura a medida que la atravesó. La energía liberada por esta colisión está alimentando el envoltorio de gas caliente que rodea la región, aunque no se sabe a ciencia cierta qué sucede allí, puesto que todavía no hay datos de observación detallados de ese gas. “La existencia de una nube molecular que atraviesa gas intergaláctico y genera caos a su paso puede ser un fenómeno raro, y aún no lo entendemos del todo”, afirma Bjorn Emonts, astrónomo de NRAO y coinvestigador del proyecto. “Pero nuestros datos demuestran que dimos un importante paso para entender el extraño comportamiento y los turbulentos ciclos de las nubes de gas molecular en el Quinteto de Stephan”. 

Quizás la región más “normal” de todas sea el Campo 4, donde los científicos observaron un ambiente más estable y menos turbulento que permite al gas de hidrógeno colapsar en un disco de estrellas, y lo que se cree que podría ser una galaxia enana en formación. “En el Campo 4, es probable que unas grandes nubes de gas denso preexistentes se hayan vuelto inestables debido al choque y hayan colapsado para formar nuevas estrellas, como sería de esperar”, explica Pierre Guillard, investigador del Instituto de Astrofísica de París y coinvestigador del proyecto, quien agrega que todas las nuevas observaciones tienen implicaciones considerables para los modelos teóricos sobre el impacto de la turbulencia en el Universo. “La onda de choque en el medio intergaláctico del Quinteto de Stephan ha generado tanto gas molecular frío como el que tenemos en nuestra Vía Láctea, y aun así, la tasa de formación estelar allí es mucho menor de lo que se esperaba. Entender por qué este material es estéril constituye un verdadero desafío para los teóricos. Se necesitan nuevas investigaciones para saber cómo inciden estas fuertes turbulencias y esta eficiente mezcla de gas frío y caliente”.

Antes de las observaciones de ALMA, los científicos poco sabían sobre todos estos fenómenos que ocurren en el medio intergaláctico del Quinteto de Stephan, pero no era por falta de interés. En 2010, el equipo usó el telescopio espacial Spitzer de NASA de para observar el Quinteto de Stephan y descubrió grandes nubes de hidrógeno molecular caliente —se calcula que tenían entre 100 y 400 grados Kelvin, o cerca de -280 a 260 grados Fahrenheit— mezclado en el gas supercaliente. “Estas nubes deberían haber sido destruidas por la gran onda de choque que se desplaza por el grupo, pero no lo fueron. Y queríamos saber —y todavía queremos saber— por qué han sobrevivido”, interroga Philip Appleton. 

Para resolver este misterio, el equipo necesitaba capacidades tecnológicas diferentes y más poderosas. Más de un año después, a fines de 2011, ALMA captó su primera señal, mientras que el telescopio James Webb capturó sus primeras imágenes el año pasado. La combinación de estos poderosos recursos ha permitido obtener sobrecogedoras imágenes infrarrojas del Quinteto de Stephan y lograr una revolucionaria comprensión, aunque incompleta, de la relación entre los gases de hidrógeno frío, molecular caliente e ionizado tras la enorme onda de choque. Ahora el equipo necesita recabar datos espectroscópicos para revelar los secretos del gas de hidrógeno molecular caliente.

“Estas nuevas observaciones nos aportaron algunas respuestas, pero, sobre todo, nos mostraron cuán poco sabemos aún”, advierte Philip Appleton. “Aunque ahora entendemos mejor las estructuras de gas y cómo incide la turbulencia en su creación y mantenimiento, necesitamos más observaciones espectroscópicas para determinar los movimientos del gas a través del efecto Doppler, saber cuán rápido se desplaza el gas, medir la temperatura del gas caliente y ver cómo el gas está siendo enfriado o calentado por las ondas de choque. En resumen, hemos visto una cara de la moneda. Ahora tenemos que ver la otra”.