ALMA observa galaxias enterradas en superhalos

23 Marzo, 2017

Gracias a la extrema sensibilidad del Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), un grupo de astrónomos observó directamente un par de galaxias similares a la Vía Láctea tal y como eran cuando el Universo tenía tan solo un 8 % de su edad actual. Estos antepasados de las galaxias espirales gigantes de hoy se ven rodeados de “superhalos” de gas de hidrógeno que se extienden varias decenas de miles de años luz más allá de los discos de polvo y estrellas que los rodean.

Al principio los astrónomos detectaron estas galaxias mientras estudiaban la intensa luz de unos cuásares aún más distantes. En su trayecto hasta la Tierra, al atravesar una galaxia situada en su camino, esta luz absorbe las características espectrales únicas del gas de esa galaxia. Sin embargo, esta técnica normalmente impide a los astrónomos ver la luz emitida por la galaxia, que termina siendo opacada por la emisión mucho más brillante del cuásar ubicado en el fondo.

“Imagina una luciérnaga al lado de un foco de alta potencia. Esas son las condiciones a las que se enfrentan los astrónomos cuando observan estas versiones jóvenes de nuestra galaxia”, explica Marcel Neeleman, investigador de posdoctorado de la Universidad de California (Santa Cruz) y autor principal de un artículo que se publicará en la revista Science. “Ahora podemos ver las galaxias mismas, lo cual nos da una oportunidad única para estudiar la infancia de nuestra galaxia y de otras galaxias similares”.

Crédito: Producido por Alexandra Angelich (NRAO/AUI/NSF); Escrito y narrado por Charles Blue (NRAO/AUI/NSF); Animaciones e imágenes cortesía de Alexandra Angelich (NRAO/AUI/NSF); NASA/Goddard Space Flight Center/Cruz deWilde and the Advanced Visualization Laboratory at the National Center for Supercomputing and B. O’Shea, M. Norman; ESO/C.Malin; Imágenes científicas cortesía de M. Neeleman & J. Xavier Prochaska; Keck Observatory; Música de Geodesium.

Con ALMA, los astrónomos pudieron finalmente observar el “brillo” natural emitido en longitudes de onda milimétricas por el carbono ionizado presente en las zonas densas y polvorientas de las galaxias, donde se forman las estrellas. Sin embargo, esta huella de carbono está considerablemente separada del gas detectado a través de la absorción del cuásar. Esta separación extrema indica que el gas de las galaxias se extiende mucho más allá de sus discos llenos de estrellas, lo cual significaría que cada galaxia está rodeada de un monstruoso halo de gas de hidrógeno.

“Esperábamos ver una débil emisión justo encima del cuásar, y en cambio observamos una intensa emisión de carbono proveniente de las galaxias con grandes separaciones con respecto al cuásar”, cuenta J. Xavier Prochaska, profesor de astronomía y astrofísica de la Universidad de California (Santa Cruz) y coautor del artículo. La separación entre el cuásar y las galaxias observadas es de unos 137.000 años luz para una galaxia y de unos 59.000 años luz para la otra.

Impresión artística de un progenitor de una galaxia similar a la Vía Láctea en el Universo temprano, con un cuásar de fondo brillando a través de un superhalo de gas de hidrógeno rodeando la galaxia. Nuevas observaciones con ALMA de dos galaxias de este tipo revelaron que estos vastos halos se extienden mucho más allá de los polvorientos discos formadores de estrellas de las galaxias. Las galaxias inicialmente se habían detectado por la absorción de la luz del cuásar de fondo que pasaba a través de las galaxias. ALMA fue capaz de observar el carbono ionizado en los discos de las galaxias, revelando detalles cruciales sobre sus estructuras. Crédito: A. Angelich (NRAO/AUI/NSF). | Descargar imagen

De acuerdo con los investigadores, el gas de hidrógeno neutro revelado por la absorción de luz de cuásar probablemente forma parte de un gran halo, o quizá de un extenso disco de gas que rodea la galaxia. “No proviene del mismo lugar donde se forman las estrellas, y el hecho de que haya tanto gas tan lejos de la zona incubadora significa que hay una gran cantidad de hidrógeno neutro alrededor de la galaxia”, afirma Neeleman.

Imagen compuesta con observaciones ópticas y de ALMA de una joven galaxia similar a la Vía Láctea a 12 mil millones de años luz de distancia y un cuásar de fondo a 12,5 mil millones de años luz. La luz del cuásar, que pasó a través del gas de la galaxia en su camino hacia la Tierra, reveló la presencia de la galaxia a los astrónomos. Nuevas observaciones con ALMA del carbono ionizado de la galaxia (verde) y de la emisión continua del polvo (azul) muestran que el polvoriento disco formador de estrellas de la galaxia está separado del gas detectado por la absorción del cuásar en longitudes de onda ópticas (rojo). Esto indica que un halo masivo de gas rodea la galaxia. Los datos ópticos son del telescopio Keck I, en el observatorio W. M. Keck. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), M. Neeleman & J. Xavier Prochaska; Keck Observatory. | Descargar imagen

Los nuevos datos de ALMA muestran que estas jóvenes galaxias ya están rotando, lo cual constituye uno de los rasgos distintivos de las galaxias espirales masivas que vemos hoy en el Universo. Las observaciones de ALMA también revelaron que ambas galaxias forman estrellas a una velocidad bastante acelerada: más de 100 masas solares por año en una y cerca de 25 masas solares por año en la otra.

“Estas galaxias parecen ser fábricas de estrellas veloces, masivas y polvorientas, con grandes y extensas capas de gas”, señala Prochaska.

“ALMA resolvió una incógnita sobre la formación de las galaxias que venía arrastrándose desde hace décadas”, celebra Chris Carilli, astrónomo del Observatorio Radioastronómico Nacional de Estados Unidos (Socorro, Nuevo México) y coautor del artículo. “Ahora sabemos que al menos algunas galaxias muy jóvenes tienen halos mucho más extensos de lo que se creía, y que estos pueden ser el material necesario para alimentar el crecimiento galáctico”.

Las galaxias, conocidas oficialmente como ALMA J081740.86+135138.2 y ALMA J120110.26+211756.2, están a unos 12.000 millones de años luz de la Tierra.

Los cuásares situados detrás de ellas están a unos 12.500 millones de años luz.

Información adicional

Los resultados de esta investigación se detallan en un artículo titulado “[C II] 158-μm emission from the host galaxies of damped Lyman alpha systems” (‘Emisión de 158 μm [C II] de las galaxias huéspedes de sistemas Lyman alfa opacados’) de M. Neeleman et al., que se publicará en la revisa Science el 24 de marzo de 2017.

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 Consejo Nacional de Ciencia de Taiwán (NSC), 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.