ALMA detecta rastros de oxígeno más distantes del Universo

15 mayo, 2018

Artículo Científico

Gracias al Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), un equipo de astrónomos detectó una débil pero clara señal emitida por moléculas de oxígeno en una galaxia situada a 13.280 millones de años luz de nosotros. Con este hallazgo los astrónomos batieron un nuevo récord, pues estas moléculas de oxígeno son las más distantes encontradas a la fecha. A partir de observaciones infrarrojas, el equipo calculó que esta galaxia comenzó a formar estrellas de forma inesperadamente precoz, tan solo 250 millones de años después del Big Bang.

“Me emocionó mucho ver la señal de las moléculas de oxígeno más distantes”, celebra Takuya Hashimoto, autor principal de un artículo publicado en la revista Nature investigador de la Universidad Osaka Sangyo y del Observatorio Astronómico Nacional de Japón.“Este hallazgo expande las fronteras del Universo observable”.

En esta imagen se aprecia el cúmulo de galaxias MACS J1149.5+2223 observado por el telescopio espacial Hubble de la NASA/ESA, y el recuadro muestra la galaxia MACS1149-JD1, observada por ALMA, a 13.280 millones de años luz de distancia. La distribución del oxígeno detectada por ALMA se muestra en verde. Créditos: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), telescopio espacial Hubble de la NASA/ESA, W. Zheng (JHU), M. Postman (STScI), CLASH Team, Hashimoto et al.

En esta imagen se aprecia el cúmulo de galaxias MACS J1149.5+2223 observado por el telescopio espacial Hubble de la NASA/ESA, y el recuadro muestra la galaxia MACS1149-JD1, observada por ALMA, a 13.280 millones de años luz de distancia. La distribución del oxígeno detectada por ALMA se muestra en verde. Créditos: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), telescopio espacial Hubble de la NASA/ESA, W. Zheng (JHU), M. Postman (STScI), CLASH Team, Hashimoto et al.

El equipo internacional de astrónomos dirigido por Hashimoto usó ALMA para observar la galaxia distante conocida como MACS1149-JD1, donde detectó los rastros de oxígeno ionizado. La luz infrarroja emitida por el oxígeno se estiró a longitudes de microonda, debido a la expansión del Universo, antes de alcanzar la Tierra y ser captada por ALMA. Al estudiar el cambio en la longitud de onda de la luz, el equipo descubrió que la señal había viajado 13.280 millones de años luz [1] para alcanzarnos, con lo cual se trata de la señal de oxígeno más distante –o antigua– detectada hasta ahora por un telescopio. Paralelamente, el Very Large Telescope, del Observatorio Europeo Austral, detectó una señal más débil aún de emisiones de hidrógeno neutro, cuya distancia coincide con la de las observaciones del oxígeno. De las galaxias cuya distancia se ha medido con precisión, MACS1149-JD1 es la más lejana [2].

Espectro de microondas de iones de oxígeno en MACS1149-JD1 detectados por ALMA. Originalmente era luz infrarroja a una longitud de onda de 88 micrómetros, y ALMA la detectó como microondas con de 893 micrómetros de longitud debido al efecto de la expansión del Universo. Créditos: Hashimoto et al. - ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

Espectro de microondas de iones de oxígeno en MACS1149-JD1 detectados por ALMA. Originalmente era luz infrarroja a una longitud de onda de 88 micrómetros, y ALMA la detectó como microondas con de 893 micrómetros de longitud debido al efecto de la expansión del Universo. Créditos: Hashimoto et al. – ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

Tras el Big Bang hubo un período sin oxígeno en el Universo. El oxígeno se formó posteriormente en las estrellas, que lo fueron liberando a medida que fueron muriendo. El descubrimiento de oxígeno en MACS1149-JD1 indica que hubo toda una generación de estrellas que produjo oxígeno antes del período observado, transcurrido solo unos 500 millones de años después del nacimiento del Universo.

Posteriormente, el equipo reconstituyó el proceso de formación estelar en la galaxia a partir de datos infrarrojos obtenidos por el telescopio espacial Hubble de la NASA/ESA y el telescopio espacial Spitzer de la NASA. El brillo observado coincide perfectamente con un modelo que sitúa en 250 millones de años antes el nacimiento de las primeras estrellas. Según este modelo, el proceso de formación estelar se detuvo durante un cierto período y luego se reanudó en el período observado por ALMA, a saber, unos 500 millones de años después del Big Bang. Los astrónomos creen que el primer brote de formación estelar expulsó todo el gas de la galaxia, lo cual detuvo el proceso. Cuando volvió a haber gas en la galaxia, se produjo el segundo brote de formación estelar. Las enormes estrellas nacidas durante este segundo brote ionizaron el oxígeno, y fue ese oxígeno el que detectó ALMA.

“La población de estrellas maduras de MACS1149-JD1 es un indicio de que las estrellas se estaban formando desde antes, en un período que nuestros telescopios no alcanzan a observar. Esto tiene implicaciones fascinantes para la búsqueda del Alba Cósmica, cuando se formaron las primeras galaxias”, agrega Nicolas Laporte, investigador del University College Londony de la Universidad de Toulouse, quien participó en el estudio.

ALMA ha batido varios récords en la búsqueda de los rastros de oxígeno más distantes. En 2016, Akio Inoue, de la Universidad Osaka Sangyo, y sus colegas encontraron señales de oxígeno a 13.100 millones de años luz usando ALMA. Siete meses más tarde, Nicolas Laporte y su equipo usaron ALMA para observar oxígeno a 13.200 millones de años luz de distancia. Ahora, los dos equipos aunaron fuerzas para producir este nuevo hallazgo. “Esto refleja la naturaleza tanto competitiva como de colaboración de la investigación científica de punta”, señala Inoue.

Richard Ellis, astrónomo sénior del University College Londony coautor del artículo, concluye: “Para la cosmología y el estudio de la formación de galaxias, descubrir cuándo se produjo el Alba Cósmica es como encontrar el Santo Grial. Con estas nuevas observaciones de MACS1149-JD1, ¡estamos acercándonos a la posibilidad de presenciar directamente el inicio de las estrellas! Como estamos hechos de material estelar procesado, esto equivaldría a encontrar nuestros verdaderos orígenes”.

Notas

[1] El desplazamiento al rojo de la galaxia MACS1149-JD1 es z = 9.11. Un cálculo basado en los últimos parámetros cosmológicos medidos con Planck (H0 = 67,3 km/s/Mpc, Ωm = 0,315, Λ = 0,685: resultados Planck 2013) arroja una distancia de 13.280 millones de años luz. Véase el texto “Expressing the distance to remote objects” (‘Expresión de la distancia de objetos lejanos’) para obtener más información.

[2] La distancia hasta la galaxia GN-z11 se estima en unos 13.400 millones de años luz, según observaciones realizadas por el telescopio espacial Hubble. No obstante, los cálculos de distancia mediante espectroscopía de baja resolución con el telescopio Hubble son considerablemente menos precisos que las mediciones realizadas por ALMA usando una sola línea de emisión de átomos.

Información adicional

Los resultados de este estudio se recogen en el artículo de Hashimoto et al. titulado “The onset of star formation 250 million years after the Big Bang” (‘El inicio de los brotes de formación estelar 250 millones después del Big Bang’), que se publicó en la revista Natureel 16 de mayo de 2018.

El equipo lo constituyeron Takuya Hashimoto (Universidad Osaka Sangyo/Observatorio Astronómico Nacional de Japón), Nicolas Laporte (University College London/Universidad de Toulouse), Ken Mawatari (Universidad Osaka Sangyo/Universidad de Tokio, Richard S. Ellis (University College London), Akio K. Inoue (Universidad Osaka Sangyo), Erik Zackrisson (Universidad de Uppsala), Guido Roberts-Borsani (University College London), Wei Zheng (Universidad Johns Hopkins), Yoichi Tamura (Universidad de Nagoya), Franz E. Bauer (Pontificia Universidad Católica de Chile/Instituto Milenio de Astrofísica/Instituto de Ciencia Espacial de EE. UU.), Thomas Fletcher (University College London), Yuichi Harikane (Universidad de Tokio), Bunyo Hatsukade (Universidad de Tokio), Natsuki H. Hayatsu (Universidad de Tokio/Organización Europea para la Investigación Astronómica en el Hemisferio Austral), Yuichi Matsuda (Observatorio Astronómico Nacional de Japón/SOKENDAI), Hiroshi Matsuo (Observatorio Astronómico Nacional de Japón/SOKENDAI), Takashi Okamoto (Universidad de Hokkaido), Masami Ouchi (Universidad de Tokio), Roser Pelló (Universidad de Toulouse), Claes-Erik Rydberg (Universidad de Heidelberg), Ikkoh Shimizu (Universidad de Osaka), Yoshiaki Taniguchi (Universidad Abierta de Japón), Hideki Umehata (Universidad Abierta de Japón/Universidad de Tokio/RIKEN), Naoki Yoshida (Universidad de Tokio).

El Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), una instalación astronómica internacional, es una asociación entre el Observatorio Europeo Austral (ESO), la Fundación Nacional de Ciencia de EE. UU. (NSF) y los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales de Japón (NINS) en cooperación con la República de Chile. ALMA es financiado por ESO en representación de sus estados miembros, por NSF en cooperación con el Consejo Nacional de Investigaciones de Canadá (NRC) y el Ministerio de Ciencia y Tecnología de Taiwán (MOST), y por NINS en cooperación con la Academia Sinica (AS) de Taiwán y el Instituto de Ciencias Astronómicas y Espaciales de Corea del Sur (KASI).

La construcción y las operaciones de ALMA son conducidas por ESO en nombre de sus estados miembros; por el Observatorio Radioastronómico Nacional (NRAO), gestionado por Associated Universities, Inc. (AUI), en representación de Norteamérica; y por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) en nombre de Asia del Este. El Joint ALMA Observatory (JAO) tiene a su cargo la dirección general y la gestión de la construcción, así como la puesta en marcha y las operaciones de ALMA.