Parece que fue ayer, pero hace ya más de veinte años llegaba como investigadora postdoctoral al Instituto del Telescopio Espacial (STScI) y tuve la oportunidad de participar, muy de cerca, de la excitación y entusiasmo con la que se vivió en esos días en el STScI uno de los descubrimientos más interesantes de la astrofísica actual. El Telescopio Espacial Hubble (HST), observando una zona muy pequeña y oscura del cielo, que a simple vista se mostraba vacía, encontró varios miles de galaxias de todos los tamaños, colores y formas. Pero, ¿por qué tanto entusiasmo con este descubrimiento, si ya se sabía que la Vía Láctea y las galaxias de su entorno no eran únicas en el universo? Porque el HST encontraba, además, que el universo en el pasado era mucho más activo formando estrellas, y que las galaxias tenían ritmos de formación estelar que eran entre diez y cien veces más altos que los ritmos que se observan hoy en las galaxias de nuestro entorno local (Madau et al. 1996). Este hallazgo abrió la puerta a una carrera observacional imparable, con la puesta en marcha de telescopios de gran tamaño dedicados a los cartografiados profundos del cielo. La meta: el descubrimiento de galaxias cada vez más lejanas, que nos dieran información de cuándo y cómo comienzan a formarse estas primeras estructuras en el universo.
Durante estas dos últimas décadas, los modelos teóricos han mostrado que las primeras galaxias comenzaron a formarse en el pasado por fusión de grumos de materia poco masivos, que surgieron poco después del Big Bang. Estos grumos fueron atrayéndose gravitatoriamente y, en su colapso, la materia de cada uno de ellos se enfrío y formó estrellas, dando así lugar a la materia luminosa que, al ligarse gravitatoriamente, formó las galaxias primigenias. Estas primeras estructuras, sin embargo, no eran inmutables: con el tiempo, crecieron en masa y en tamaño, y cambiaron sus colores y formas. Sin embargo, aún no tenemos certeza de cuáles son los procesos físicos responsables de que esas galaxias primigenias hayan evolucionado para transformarse en las galaxias espirales y elípticas que observamos hoy en el universo más cercano.

Preguntarnos cómo se forman y evolucionan las galaxias es, por tanto, una cuestión fundamental que ha sido y es el leitmotiv de mi investigación. Un tema tan amplio y variado que la pregunta se repite continuamente, adquiriendo formas y condiciones diferentes que se desarrollan y exploran a través de caminos diversos a lo largo de mis más de veinticinco años dedicados a la investigación.
En contraste con los estudios enfocados a los cartografiados de galaxias lejanas, mi objetivo ha sido obtener información de los procesos de formación y evolución del universo a través de la determinación de las historias de formación estelar de galaxias del universo local. ¿Cómo puede ser que las galaxias cercanas nos den información de su pasado, de cómo se formaron y fueron cambiando con el tiempo? Podemos decir que las galaxias son registros fósiles de la historia de la formación estelar y evolución química del universo, que han dejado sus huellas en las propiedades de las estrellas que las forman. Veamos cómo:
Gracias a los estudios de evolución estelar, sabemos que las estrellas siguen un ciclo vital que depende de su masa inicial: así, las estrellas menos masivas que el Sol pueden vivir casi eternamente, mientras que las estrellas masivas consumen rápidamente el hidrógeno y el helio de su interior produciendo, a través de procesos de fusión, elementos cada vez más pesados hasta llegar al hierro. Estas estrellas acaban sus días explotando como supernovas y retornando al medio interestelar material químicamente enriquecido, que formará nuevas estrellas. Por otra parte, las estrellas nacen en tiempos y ambientes diferentes, y por tanto la población estelar de una galaxia refleja los diferentes estados evolutivos y de formación por los que transcurrió. Por ejemplo, las estrellas jóvenes de los discos de las galaxias espirales se han formado a partir del gas que fue enriquecido en metales (o elementos más pesados que el helio) por las generaciones estelares previas, y cuyas estrellas de baja masa aún sobreviven en los discos de estas galaxias. En cambio, podríamos decir que las estrellas más viejas, que habitan las galaxias elípticas, son las reliquias vivientes de un pasado más glorioso, en el que los ritmos de formación estelar eran muy altos y las estrellas masivas dominaban la acción.

Un proyecto único

Dejadme que os explique finalmente cuál ha sido, en este leitmotiv sobre la formación y evolución de galaxias, mi Moby-Dick más reciente. Ha sido dilucidar cómo se forman y evolucionan los distintas componentes, discos, bulbos y halos, de las galaxias. Para ello, han sido esenciales los datos del proyecto CALIFA y la determinación de las historias de formación estelar espacialmente resueltas.
CALIFA es el acrónimo de Calar Alto Legacy Integral Field spectroscopy Area survey. Ha sido un proyecto pionero en la determinación de las propiedades espacialmente resueltas de las galaxias cercanas que se ha realizado desde el observatorio de Calar Alto (Sánchez et al. 2012). Hemos observado más de seiscientas galaxias mediante espectroscopía de campo integral (IFU) con el instrumento PMAS/PPaK en el telescopio de 3.5 metros. Este modo de observación permite separar la luz procedente de las diversas zonas de las galaxias, resolviendo espacialmente las componentes del disco y bulbo. Las galaxias fueron seleccionadas por su tamaño en el cielo y por su forma, siendo todas ellas elípticas, esferoidales y espirales de todos los tipos morfológicos. Gracias a la combinación del tamaño y distancia a la que se encuentran las galaxias de la muestra, todas ellas a redshift menor de 0.03 (unos 370 millones de años luz de distancia), así como la resolución espacial del instrumento, hemos podido obtener información de sus propiedades en función de la distancia radial, pudiendo distinguir las propiedades de zonas del disco y del bulbo, y a su vez obtener las propiedades globales de las galaxias.
Los resultados obtenidos por nuestro grupo a través de las historias de formación estelar de las galaxias de CALIFA han aportado interesantes conclusiones:
a) Que las galaxias se forman de dentro a fuera, y la masa de las regiones centrales crece más rápidamente que las zonas externas. Las variaciones radiales de la edad de la población estelar confirman que los bulbos de las galaxias son más viejos que los discos.
b) Que las galaxias se forman muy rápido, independientemente de su masa estelar, con su pico de formación estelar en épocas muy tempranas, entre tres y cuatro miles de millones de años después del Big Bang.
c) En cualquier época pasada, el ritmo de formación estelar de cada galaxia era proporcional a la masa de esta, siendo las más masivas las de mayor actividad de formación estelar.
d) En la época actual, las galaxias de tipo espiral tardío y, en particular, las zonas situadas en los discos de estas galaxias ,son las que dominan la densidad de formación estelar del universo. Sin embargo, hace unos diez mil millones de años, eran las zonas centrales de las galaxias que actualmente son de tipo esferoidal las que dominaban la densidad de formación estelar del universo.
e) Los ritmos de formación estelar y su intensidad (formación estelar por unidad de área) en las zonas externas de las galaxias elípticas indican que estas han crecido en dos fases, primero formándose el centro y después extendiendo su envoltura. Después siguieron creciendo en masa a través de procesos de fusión con otras galaxias, unos procesos que fueron muy activos hace entre unos cinco y siete mil millones de años.
f) La evolución de la intensidad de formación estelar de las zonas centrales de las espirales con masa y morfología similar a la Vía Láctea indica que la formación de un disco grueso en épocas muy tempranas puede ser un fenómeno muy común en estas galaxias.
g) Los procesos de paro de la formación estelar no suelen ocurrir en épocas muy tempranas, como se observa en las galaxias masivas lejanas. Sin embargo, este proceso, al igual que en las galaxias lejanas, se extiende de dentro a fuera de la galaxia, y es más efectivo en las galaxias espirales de tipo temprano que en las de tipo tardío, donde la formación estelar se extiende hasta épocas recientes.

Sin embargo, aún no tenemos certeza de los mecanismos precisos que actuaron para que las galaxias primigenias evolucionaran dando la diversidad de galaxias que observamos en nuestro universo más cercano. Para seguir profundizando, será necesario determinar las propiedades de las galaxias con resoluciones espaciales mejores, ya que la formación estelar y los modos por los cuales esta se acopla al ambiente galáctico ocurre en escalas de unas pocas decenas de pársecs (un pársec equivale a unos 3,26 años luz). Obtener observaciones con estas resoluciones espaciales es, ahora, mi nuevo Moby Dick.