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Grupo liderado por estudiante del INAOE revela el origen de los misteriosos cúmulos difusos en una galaxia lenticular usando el Gran Telescopio Canarias

El Universo guarda secretos que parecen ocultarse a plena vista. Uno de ellos son los enigmáticos cúmulos difusos, también conocidos como faint fuzzies, agrupaciones de estrellas que durante dos décadas han desconcertado a los astrónomos. Ahora, un nuevo estudio liderado por el estudiante de Doctorado en Astrofísica, Miguel Angel López Santamaría del Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE), centro público de la Secretaría de Ciencia, Humanidades, Tecnología e Innovación (Secihti), aporta las pistas más claras hasta el momento sobre las propiedades y el origen que ayuda a desentrañar la naturaleza de estos peculiares objetos.

El trabajo, recientemente publicado en la prestigiosa revista The Astrophysical Journal bajo la supervisión del Dr. Divakara Mayya, hizo uso del tiempo de México en el Gran Telescopio Canarias (GTC), el telescopio óptico más grande del mundo con un espejo de 10.4 metros de diámetro para realizar este trabajo. Fueron observados unos candidatos a cúmulos estelares previamente seleccionados en las imágenes del Telescopio Espacial Hubble (HST por sus siglas en inglés) en la galaxia lenticular NGC 1023, situada a unos 34 millones de años luz en la constelación de Perseo. Se analizaron mediante la técnica de espectroscopía, una herramienta que descompone la luz en sus diferentes longitudes de onda, 26 candidatos a cúmulos globulares y 21 a cúmulos difusos. Estos cúmulos estelares son extremadamente tenues a estas distancias lejanas por lo que el uso del telescopio óptico más grande del mundo fue determinante para este estudio.

“El objetivo de este estudio es entender si los cúmulos difusos se formaron en un proceso similar a los que dio  el origen de cúmulos globulares”, comenta el Dr. Divakara Mayya. Se sabe de la existencia de los cúmulos globulares de la Vía Láctea desde la invención de los telescopios por su llamativa morfología esférica. Se conoce actualmente que son los objetos más viejos del Universo. El lanzamiento del HST dio a conocer un nuevo tipo de cúmulos con una morfología tenue y alargada que llegan a confundirse en las imágenes con estructuras nebulosas que existen en galaxias espirales y con galaxias lejanas. La dificultad de encontrarlos con certeza ha hecho estos objetos raros y misteriosos, resultando de gran interés para los astrofísicos, que han especulado que son objetos viejos como los cúmulos globulares, pero con un origen aún incierto. Sin embargo, hacía falta un estudio espectroscópico de varios candidatos capaz de medir condiciones físicas, químicas y cinemáticas para poder validar esta especulación.

En entrevista, Miguel López Santamaría explica que con su gran tamaño y capacidad de observar múltiples objetos a la vez, el GTC ofrece precisamente esta posibilidad. Las claves para descifrar el enigma fue la medición de la velocidad radial y las huellas químicas de la luz de estos objetos. Los cúmulos pertenecientes a NGC 1023 comparten una cinemática distinta al movimiento de las galaxias del fondo. “Los espectros de los cúmulos genuinos presentan una huella química típica de estrellas viejas, mientras que los objetos nebulosos y las galaxias lejanas exhiben líneas de emisión características de gas ionizado”, subraya.

El gran hito de esta investigación radica en algo nunca antes conseguido: medir la edad y la composición química de cada cúmulo de forma individual. Hasta ahora, las investigaciones sólo habían alcanzado resultados combinando varios espectros en conjunto, pero nunca se había alcanzado la precisión suficiente para analizar a detalle  cada cúmulo difuso por separado. La investigación revela que los cúmulos difusos son significativamente más jóvenes que los cúmulos globulares clásicos (entre 7 y 9 mil millones de años, frente a más de 10 mil millones). Comparten una riqueza química parecida a la que se encuentra en los cúmulos globulares en la misma galaxia.

El análisis de sus movimientos en este nuevo estudio indica que los cúmulos difusos están ubicados en el disco de NGC 1023, al contrario de los cúmulos globulares, los cuales ocupan todo el volumen de la galaxia, incluyendo el halo. Esto abre una hipótesis fascinante: ¿son una segunda familia de cúmulos globulares nacidos retardados en el disco? “Los cúmulos por lo general crecen en tamaño con el tiempo debido a las inestabilidades inherentes a la evolución dinámica. Los cúmulos globulares están sujetos menos de estos cambios debido a su ubicación en el halo, mientras que la posición en el disco de los cúmulos difusos hacen que sean más propensos a expandirse, resultando en una morfología tenue y alargada”, comenta Santamaría, sobre el origen de estos objetos.

Con este trabajo, los astrónomos dan un paso clave en la llamada arqueología extragaláctica, que busca reconstruir la historia de las galaxias a través de las poblaciones estelares que las habitan. Esto se debe a que los cúmulos estelares funcionan como verdaderos fósiles cósmicos, conservando la información de las condiciones físicas y químicas del universo cuando se formaron, y estudiarlos nos permite reconstruir la historia temprana de las galaxias.

Y es precisamente gracias al acceso para la comunidad mexicana a los telescopios de clase mundial como el GTC, por ser socio fundador, que hoy podemos acercarnos a resolver preguntas que hace unas décadas parecían imposibles. El INAOE será sede de la Escuela de Otoño de Astrofísica Avanzada 2025 “Ciencia con el GTC”, que se celebrará del 3 al 7 de noviembre. Este encuentro reunirá a jóvenes investigadores y estudiantes de posgrado para formarse en las técnicas más modernas de observación y análisis con el telescopio óptico más grande del planeta.

El equipo de trabajo liderado por el estudiante Miguel Angel López Santamaría está conformado por investigadores de Brasil y España además del personal del INAOE. La versión completa del trabajo se encuentra con acceso abierto al público en el vínculo: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/addc6d