La formación y evolución de las galaxias se rige por una serie de mecanismos y la compleja interacción entre ellos. Éstos incluyen la fusión jerárquica de halos de materia oscura (se cree que las galaxias con halos de materia oscura más pequeños se formaron primero y se fusionaron para formar galaxias dentro de halos más grandes), la acreción y el enfriamiento del gas, y la fragmentación gravitacional y formación de nubes moleculares.  La formación estelar, la nucleosíntesis, los chorros enriquecidos con metales impulsados por vientos estelares, las explosiones de supernovas y la emisión de energía proveniente de la acreción hacia agujeros negros supermasivos, también influyen en la formación y evolución de las galaxias. 

Gracias a recientes sondeos profundos, se ha facilitado observar las propiedades de las galaxias, como su luminosidad, tamaño, tasa de formación estelar, masa y la masa de las estrellas dentro de ellas, así como su evolución con el desplazamiento al rojo. Pero ahora necesitamos estudios más detallados de galaxias individuales resueltas espacial y espectralmente, para mejorar nuestra comprensión de sus procesos físicos subyacentes.  Un panorama completo de la formación de galaxias también debe describir la estructura interna de una galaxia, por ejemplo, cómo se distribuyen las poblaciones estelares y el polvo o qué propiedades tiene su región central.  Las instalaciones actuales, sin embargo, no logran describir estas propiedades internas en detalle en galaxias lejanas, ya que no pueden alcanzar las pequeñas escalas espaciales requeridas. Necesitamos acercarnos a la escala en la que se produce la formación estelar, vale decir, a las nubes moleculares gigantes; el ELT nos permitirá hacerlo.  

El Telescopio Espacial Hubble ha ampliado nuestra visión de las galaxias en evolución desde la luz visible hasta el infrarrojo cercano, sondeando la emisión de diversas estrellas en galaxias con alto desplazamiento al rojo y resolviendo las formas y colores de las galaxias. Al mismo tiempo, los espectrómetros de campo integral, como los del Very Large Telescope de ESO, han cartografiado sistemáticamente el movimiento del gas ionizado y las condiciones físicas de las galaxias. El ELT permitirá observar galaxias más débiles y distantes, hasta la época en que comenzaron a formar sus poblaciones estelares y reservorios de gas, por lo cual un estudio en mayor detalle ampliaría el actual conocimiento sobre la evolución de las galaxias. 

La caracterización de galaxias con un amplio rango de masas, actividades de formación estelar y entornos requiere un gran salto en resolución espacial. El ELT podrá obtener esta información de manera inigualable, gracias a su espejo principal de 39 metros. y límite de difracción de 13 mas (~100pc a z > 1) en la banda K (λ ~ 2μm). Tanto la obtención de imágenes como la espectroscopia de campo integral (con los instrumentos MICADO y HARMONI) permitirán una visión profunda de las galaxias a través de los tiempos cósmicos, con una nitidez ~ 15 veces mayor a la viable actualmente con Hubble, y ~6 veces mayor a la posible con el telescopio espacial James Webb. HARMONI superará las limitaciones actuales, al trazar estructuras de sólo unas pocas decenas de pársecs de ancho, y aportará análisis en detalle gracias a información espectroscópica con alta resolución y sensibilidad angular y espectral. 

Unos 380.000 años después del Big Bang, la temperatura del Universo era suficientemente baja como para que el IGM dominado por hidrógeno, que impregna el espacio, se volviera neutro. El IGM actual, no obstante, está completamente ionizado, calentado por la emisión ultravioleta de las galaxias y los núcleos galácticos activos. Sin embargo, cómo y cuándo el IGM pasó de ser neutro a totalmente ionizado sigue siendo un tema de debate. 

Las principales fuentes de reionización han permanecido esquivas hasta ahora, y la búsqueda de las fuentes que produjeron la radiación ultravioleta que reionizó el IGM, está estrechamente relacionada con la búsqueda de las primeras galaxias más distantes. Las observaciones ultra profundas de fuentes débiles con los instrumentos HARMONI y MOSAIC del ELT permitirán determinar el estado de ionización del IGM a desplazamientos al rojo de 5 a 13. En otras palabras, el ELT hará retroceder los límites del Universo observable hasta el final de la Edad Oscura, cuando se encendieron los primeros objetos emisores de luz, que ionizaron gran parte del contenido del Universo.

El gas en el medio intergaláctico es revelado por las numerosas líneas de absorción de hidrógeno que se ven en los espectros de los cuásares. Los astrónomos han visto que a un alto desplazamiento al rojo el IGM contiene la mayoría de los bariones del Universo y, por lo tanto, es el reservorio bariónico para la formación de galaxias. A su vez, las galaxias emiten fotones ionizantes y expulsan metales y energía a través de poderosos vientos que determinan el estado físico del gas en el IGM. 

La interacción de galaxias y gas en el IGM es fundamental para la formación de galaxias, pero es compleja y ocurre en escalas del orden de un solo megaparsec. El espectrógrafo MOSAIC del ELT podrá explorar el Universo distante (a z ~ 2.5) en tres dimensiones para estudiar la estructura del IGM y sus propiedades químicas, y para buscar correlaciones entre la posición de las galaxias y los picos de densidad de gas en el IGM. 

Las líneas de absorción en los espectros de los cuásares surgen de fluctuaciones moderadas de densidad en un IGM cálido y fotoionizado. La distribución espacial del IGM está relacionada con la distribución de la materia oscura. El campo de densidad completa se puede reconstruir utilizando una cuadrícula de líneas de visión, pero requiere de al menos unos 900 objetivos distribuidos aleatoriamente por grado cuadrado. Con un desplazamiento al rojo de 2,5 existen ~900 galaxias de ruptura de Lyman por grado cuadrado y alrededor de 50 cuásares (más brillantes). Con MOSAIC, el ELT podrá utilizar estas balizas para mapear la estructura del IGM a desplazamientos al rojo entre 2,2 y 2,4 con una resolución espectral moderada. 

El instrumento ANDES del ELT también estudiará el IGM directamente. Una posibilidad interesante es la detección de elementos sintetizados por las primeras estrellas del Universo: las estrellas masivas de Población III, libres de metales. La capacidad de ANDES para obtener espectroscopía de alta resolución y alta razón señal-ruido en cuásares brillantes (AB mag ≤ 21) permitirá estudiar líneas de absorción demasiado débiles para los telescopios actuales, lo que resultará en un aumento de orden de magnitud en la muestra de fuentes de fondo útiles a alto corrimiento al rojo.