Super halos alrededor de galaxias muy jóvenes

Galaxias similares a la Vía Láctea en el Universo Temprano de NRAO Outreach en Vimeo.

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Por J. Xavier Prochaska, Universidad de California, Santa Cruz

¿Cómo se forma una galaxia como nuestra propia Vía Láctea? Hasta ahora ha habido muchas deducciones involucradas en responder esa pregunta.

La historia básica es que el gas se acumula hacia el centro de "halos" de materia más o menos esféricos. El gas luego se enfría, se condensa, se fragmenta y finalmente se colapsa para formar estrellas. Generaciones de estrellas construyen la galaxia y con ella la producción de elementos pesados, como carbono, oxígeno, etc., que pueblan nuestra tabla periódica y comprenden nuestro mundo físico familiar.

Visualizaciones numéricas de las estrellas en galaxias que se forman en el universo primitivo. Imagen vía The Eagle Project, Universidad de Durham.

Los astrofísicos como yo han reconstruido esta imagen gracias en gran parte a la investigación teórica. Realizamos simulaciones numéricas en las supercomputadoras más grandes del mundo para capturar los procesos que rigen la formación de galaxias (colapso gravitacional, calentamiento, enfriamiento radiativo) con alta fidelidad.

Simulación numérica de gas correspondiente a la misma región que la figura anterior. Las galaxias jóvenes están dominadas por gas y no por estrellas. Imagen vía The Eagle Project, Universidad de Durham.

Para estudiar muchos de estos procesos, estábamos en gran medida restringidos a este tipo de investigación teórica porque no teníamos la capacidad técnica para observarlos. Pero las cosas han cambiado ya que hemos presenciado el surgimiento de lo que consideramos los "Grandes Observatorios": el Telescopio Espacial Hubble de la NASA, los telescopios gemelos Keck de 10 m en Manua Kea, Hawái y, más recientemente, la matriz Atacama Large Millimeter / submillimeter Array ( ALMA) en el norte de Chile. Con estas instalaciones, los astrónomos han intentado probar y refinar los principios de la teoría de la formación de galaxias, especialmente los procesos que rigen el ensamblaje de galaxias y la formación de estrellas.

Los nuevos datos que publica nuestro grupo basados ​​en observaciones de ALMA son verdaderamente transformadores en relación con las observaciones anteriores. Nos permiten obtener imágenes directas del gas en las galaxias nacientes, algo que antes era imposible, y así probar nuestras predicciones fundamentales de la formación de galaxias.

El reto fisico

Cuando tratamos de observar directamente galaxias distantes, el desafío principal es la señal muy débil que llega a la Tierra desde distancias tan grandes. La luz de las dos galaxias estudiadas en nuestra publicación, por ejemplo, ha viajado 12 mil millones de años luz para llegar aquí. Esto también significa que la luz se emitió hace 12 mil millones de años, cuando el universo tenía solo 1, 5 mil millones de años y las galaxias eran simples adolescentes. Y estoy especialmente interesado en estudiar el gas que alimenta la formación de estrellas, que es particularmente difícil de detectar.

Para abordar este desafío, a partir de 1986 nuestro grupo, dirigido por el fallecido Arthur M. Wolfe, se basó en una forma indirecta de estudiar galaxias distantes. En lugar de centrarnos en las galaxias mismas, registramos la luz de los quásares que están aún más lejos de nosotros. Esto nos permite sondear gas en galaxias en primer plano.

Los cuásares son objetos extremadamente brillantes que funcionan con agujeros negros supermasivos. A medida que la luz de un cuásar viaja a través del gas galáctico que realmente nos interesa, los átomos en el gas dispersan una pequeña porción de la luz en longitudes de onda bien definidas. Estas son las llamadas firmas de absorción en el espectro del cuásar en las que nos enfocamos. El gas está imprimiendo su firma en la luz que podemos recoger con nuestros telescopios.

La luz de un cuásar distante pasa a través de nubes de gas que intervienen en galaxias y en el espacio intergaláctico. Estas nubes de hidrógeno primitivo restan colores específicos del haz. El `` espectro de absorción '' resultante puede ayudar a determinar las distancias y la composición química de las nubes invisibles. Imagen vía NASA / STScI.

Pasamos la luz que nuestro telescopio recoge a través de un espectrómetro, un instrumento que nos permite estudiar el brillo en función de la longitud de onda. Entonces podemos inferir que, de hecho, hay gas presente entre nosotros y el cuásar y podemos medir cuantitativamente varias propiedades del gas.

Arthur usó espectrómetros en el conjunto de observación principal de los Observatorios de la Universidad de California, primeros instrumentos en el telescopio Shane 3m del Observatorio Lick y luego, al ser comisionado, dirigió la investigación sobre los potentes telescopios Keck. Estos datos proporcionan estimaciones sobre la densidad de la superficie del gas, el enriquecimiento de elementos pesados, el contenido molecular y los movimientos dinámicos de la galaxia.

Este experimento de observación, sin embargo, es limitado. Ofrece poca información sobre la masa, el tamaño o la formación de estrellas de la galaxia, todas las cosas que son fundamentales para la composición de una galaxia. Es fundamental que midamos estas propiedades para comprender el historial de formación de galaxias como nuestra Vía Láctea.

El Atacama Large Millimeter / submillimeter Array está formado por 66 antenas, todas apuntadas al cielo que recopilan datos las 24 horas del día. Imagen vía ESO / B. Tafreshi (twanight.org).

Observaciones de la próxima generación

En 2003, informamos que el entonces futuro telescopio ALMA sería un verdadero cambio de juego al permitirnos visualizar directamente el gas dentro de galaxias nacientes. Tendríamos que esperar más de una década para comenzar mientras se construía el telescopio, por lo que tuvimos tiempo de sobra para identificar cuidadosamente los objetivos óptimos y refinar nuestras estrategias de observación.

Toda la espera y la planificación ahora han valido la pena. El último doctorado de Arthur. estudiante, Marcel Neeleman, acaba de publicar nuestros primeros resultados con ALMA y los datos son espectaculares. Aquí, en contraste con nuestro trabajo anterior, medimos la luz del gas en la propia galaxia, que revela el tamaño y la forma de las regiones formadoras de estrellas. Y lo que vimos no fue lo que esperábamos.

ALMA recoge la luz en longitudes de onda no visibles para el ojo humano. Nos centramos en dos fuentes en nuestras galaxias objetivo: carbono ionizado y polvo cálido, que rodean el lugar de nacimiento de nuevas estrellas. Pudimos crear mapas basados ​​en la luz emitida por el carbono ionizado dentro de una galaxia que detectamos por primera vez en absorción, a través de nuestra antigua técnica.

Sorprendentemente, el denso gas formador de estrellas de la galaxia se compensa en gran medida con el gas de hidrógeno revelado originalmente por el espectro cuásar (en aproximadamente 100, 000 años luz o 30 kiloparsecs). Esta distancia muestra que las galaxias jóvenes están rodeadas por un depósito masivo de gas neutro no ionizado. Además, sugerimos que es probable que el gas detectado en absorción se acumule nuevamente en la galaxia y alimente a las futuras generaciones de estrellas.

Imagen espectral de la luz de una galaxia. El eje horizontal describe el tamaño de la galaxia y el eje vertical describe el movimiento del gas. El análisis de la imagen revela que el gas está girando en un disco, como nuestra propia galaxia espiral. Imagen vía Neeleman et al doi: 10.1126 / science.aal1737.

Los datos de ALMA también resuelven de manera única los movimientos internos del gas de la galaxia. Nuestro análisis de la dinámica indica que el gas está configurado en un disco grande, similar a nuestra Vía Láctea, y que gira con una velocidad de aproximadamente 120 km / s. Esta velocidad es característica de lo que la teoría predice para los progenitores de este tipo de galaxias.

Por último, detectamos emisiones de polvo "cálido" en la galaxia. (Por supuesto, el calor es relativo, en este caso solo unos 30 grados Celsius por encima del cero absoluto). Creemos que el polvo es calentado por estrellas masivas jóvenes; Estimamos que la galaxia está formando estrellas a una tasa de más de 100 soles por año, una tasa prodigiosa y precoz.

Estos datos demuestran el poder y el potencial de ALMA para descubrir y diseccionar los progenitores de galaxias como la nuestra. Serán invaluables para refinar nuestra comprensión, en el espacio y el tiempo, de la acumulación de galaxias.

Impresión artística de un cuásar que brilla a través del 'súper halo' de gas de hidrógeno de una galaxia. Imagen vía A. Angelich (NRAO / AUI / NSF).

Si bien muchos de nosotros en la comunidad teníamos algunas reservas sobre ALMA (dado su gran costo), ahora está claro para mí que la recompensa será extraordinaria. La investigación de ALMA ya ha valido la pena en el descubrimiento de discos protoplanetarios a partir de los cuales se forman planetas y se desbloquean secretos ocultos del proceso de formación de estrellas. Y ALMA continuará avanzando en gran medida nuestra comprensión de cómo se forman las galaxias como la Vía Láctea.

J. Xavier Prochaska, Profesor de Astronomía y Astrofísica, Universidad de California, Santa Cruz

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lee el artículo original.

En pocas palabras: un astrofísico sobre lo que los científicos están descubriendo sobre las galaxias formadas en los primeros días del universo, ahora que los potentes telescopios permiten la observación directa.