Descubren demasiadas estrellas masivas en galaxias con estallidos de formación estelar

1 junio, 2018

Artículo Científico

Utilizando  el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) y el Very Large Telescope (VLT), los astrónomos han descubierto que tanto las galaxias con estallido o brote de formación estelar (galaxias starburst) en el Universo temprano como las regiones de formación estelar en una galaxia cercana, contienen una proporción mucho mayor de estrellas masivas que la detectada en galaxias más tranquilas. Estos resultados desafían las ideas actuales acerca de cómo evolucionaron las galaxias, cambiando nuestra comprensión de la historia cósmica de la formación estelar y de la formación de los elementos químicos.

Esta impresión artística muestra una polvorienta galaxia en el Universo distante que está formando estrellas a un ritmo mucho mayor que en nuestra Vía Láctea. Nuevas observaciones de ALMA han permitido a los científicos descorrer el velo de polvo y ver lo que antes era inaccesible: que esas galaxias con brote de formación estelar tienen un exceso de estrellas masivas en comparación con las galaxias más tranquilas. Crédito: ESO/M. Kornmesser

Sondeando el Universo distante, un equipo de científicos, liderados por el astrónomo Zhang Zhi Yu, de la Universidad de Edimburgo, ha utilizado ALMA para investigar la proporción de estrellas masivas en cuatro distantes galaxias ricas en gas con estallidos de formación estelar [1]. Estas galaxias se observan cuando el Universo era mucho más joven de lo que es ahora, por lo que es poco probable que, en su infancia, hayan atravesado muchos episodios previos de formación de estrellas, lo cual podría haber confundido los resultados.

Zhang y su equipo desarrollaron una nueva técnica —análoga a la datación por radiocarbono (también conocida como datación por carbono-14) — para medir la abundancia de diferentes tipos de monóxido de carbono en cuatro galaxias con estallidos de formación estelar muy lejanas y envueltas en polvo [2]. Observaron la proporción de dos tipos de monóxido de carbono que contenían isótopos diferentes [3].

Esta imagen muestra las cuatro galaxias distantes con brote de formación estelar observadas por ALMA. Las imágenes superiores muestran la emisión de 13CO de cada galaxia, mientras que la parte inferior nos muestra su emisión de C18O. La proporción de estos dos isotopólogos permitió a los astrónomos determinar que estas galaxias con brote de formación estelar o starburst tienen un exceso de estrellas masivas. Crédito: ESO/Zhang et al.; ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

Esta imagen muestra las cuatro galaxias distantes con brote de formación estelar observadas por ALMA. Las imágenes superiores muestran la emisión de 13CO de cada galaxia, mientras que la parte inferior nos muestra su emisión de C18O. La proporción de estos dos isotopólogos permitió a los astrónomos determinar que estas galaxias con brote de formación estelar o starburst tienen un exceso de estrellas masivas. Crédito: ESO/Zhang et al.; ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

Los isótopos de carbono y oxígeno tienen diferentes orígenes”, explica Zhang. “El 18O se produce más en estrellas masivas, y el 13C se produce más en estrellas de masa baja a intermedia”. Gracias a la nueva técnica el equipo pudo mirar a través del polvo de estas galaxias y evaluar por primera vez las masas de sus estrellas.

La masa de una estrella es el factor más importante para determinar cómo evolucionará. Las estrellas masivas brillan intensamente y tienen vidas cortas, y las menos masivas, como el Sol, brillan de forma más modesta durante miles de millones de años. Por tanto, para los astrónomos, conocer las proporciones de las estrellas de diferentes masas que se forman en las galaxias es la base para comprender la formación y evolución de las galaxias a lo largo de la historia del Universo. A su vez, esto proporciona información crucial sobre los elementos químicos que formarán nuevas estrellas y planetas y, en última instancia, el número de semillas de agujeros negros que pueden fusionarse para formar los agujeros negros supermasivos que vemos en los centros de muchas galaxias.

Normalmente, este tipo de galaxias forman estrellas a un ritmo tan alto que los astrónomos a menudo se refieren a ellas como galaxias con “estallidos” o “brotes” de formación estelar (starbursts en inglés). Comparadas con la Vía Láctea, pueden formar hasta 1000 veces más estrellas al año. Gracias a las capacidades únicas de ALMA, los astrónomos han podido medir la proporción de estrellas masivas en estas galaxias starburst. Crédito: ESO/M. Kornmesser

Normalmente, este tipo de galaxias forman estrellas a un ritmo tan alto que los astrónomos a menudo se refieren a ellas como galaxias con “estallidos” o “brotes” de formación estelar (starbursts en inglés). Comparadas con la Vía Láctea, pueden formar hasta 1000 veces más estrellas al año. Gracias a las capacidades únicas de ALMA, los astrónomos han podido medir la proporción de estrellas masivas en estas galaxias starburst. Crédito: ESO/M. Kornmesser

La coautora Donatella Romano, del INAF-Observatorio de Ciencias Espaciales y Astrofísica de Bolonia, explica lo que ha descubierto el equipo: “La proporción de 18O y 13C fue unas 10 veces mayor en estas galaxias starburst en el Universo temprano que en galaxias como la Vía Láctea, lo que significa que hay una proporción mucho mayor de estrellas masivas en estas galaxias starburst”.

Los hallazgos de ALMA han sido corroborados por otro descubrimiento en el Universo local. Utilizando el VLT (Very Large Telescope) de ESO, un equipo dirigido por Fabian Schneider, de la Universidad de Oxford (Reino Unido), hizo mediciones espectroscópicas de 800 estrellas en la gigantesca región de formación estelar 30 Doradus, en la Gran Nube de Magallanes, con el fin de investigar la distribución general de las edades estelares y las masas iniciales [4].

Cuando vemos las galaxias del universo distante, las vemos tal y como eran en su juventud y, por lo tanto, en una época en la que aún habían atravesado pocos episodios de formación de estrellas. Esto las convierte un laboratorio ideal para estudiar las épocas más tempranas de formación estelar. Pero hay que pagar un precio: a menudo están envueltas en polvo, lo cual oscurece y dificulta la correcta interpretación de las observaciones. Crédito: ESO/M. Kornmesser

Cuando vemos las galaxias del Universo distante, las vemos tal y como eran en su juventud y, por lo tanto, en una época en la que aún habían atravesado pocos episodios de formación de estrellas. Esto las convierte un laboratorio ideal para estudiar las épocas más tempranas de formación estelar. Pero hay que pagar un precio: a menudo están envueltas en polvo, lo cual oscurece y dificulta la correcta interpretación de las observaciones. Crédito: ESO/M. Kornmesser

Schneider explicó “Detectamos alrededor de un 30% más de estrellas con masas de más de 30 veces la del Sol de lo esperado, y cerca de un 70% más de lo esperado con masas por encima de 60 masas solares. Nuestros resultados desafían el límite predicho anteriormente de 150 masas solares para la masa inicial máxima de las estrellas y sugieren incluso que ¡las estrellas podrían haberse formado con masas iniciales de hasta 300 masas solares!”.

Rob Ivison, coautor del nuevo artículo científico de ALMA, concluye: “Nuestros hallazgos nos llevan a cuestionar nuestra comprensión de la historia cósmica. Los astrónomos que construyen modelos del Universo deben ahora volver a la casilla de salida, que ahora requiere de mayor sofisticación”.

Esta impresión artística muestra una polvorienta galaxia en el universo distante que está formando estrellas a un ritmo mucho mayor que en nuestra Vía Láctea. Nuevas observaciones de ALMA han permitido a los científicos descorrer el velo de polvo y ver lo que antes era inaccesible: que esas galaxias con brote de formación estelar tienen un exceso de estrellas masivas en comparación con las galaxias más tranquilas. Crédito: ESO/M. Kornmesser

Esta impresión artística muestra una polvorienta galaxia en el Universo distante que está formando estrellas a un ritmo mucho mayor que en nuestra Vía Láctea. Nuevas observaciones de ALMA han permitido a los científicos descorrer el velo de polvo y ver lo que antes era inaccesible: que esas galaxias con brote de formación estelar tienen un exceso de estrellas masivas en comparación con las galaxias más tranquilas. Crédito: ESO/M. Kornmesser

Notas

[1] Las galaxias starburst son galaxias que están experimentando un episodio de formación estelar muy intenso. La tasa a la cual se forman nuevas estrellas puede ser 100 veces o más la tasa de nuestra propia galaxia, la Vía Láctea. Las estrellas masivas de estas galaxias producen radiaciones ionizantes, corrientes estelares y explosiones de supernova, que influyen significativamente en la evolución química y dinámica del medio que les rodea. Estudiar la distribución de la masa de las estrellas en estas galaxias puede decirnos más acerca de su propia evolución y de la evolución del Universo en general.

[2] El método de datación por radiocarbono se utiliza para determinar la edad de un objeto que contenga materia orgánica. Midiendo la cantidad de 14C, que es un isótopo radiactivo cuya abundancia disminuye continuamente, se puede calcular cuándo murió una planta o un animal. Los isótopos utilizados en el estudio de ALMA, 13C y 18O, son estables y su abundancia aumenta continuamente durante la vida de una galaxia, siendo sintetizados por reacciones de fusión nuclear térmica dentro de las estrellas.

[3] Estas formas diferentes de la molécula se denominan isotopólogos y se diferencian en el número de neutrones que pueden tener. Las moléculas de monóxido de carbono utilizadas en este estudio son un ejemplo de tales especies moleculares, ya que un isótopo estable de carbono puede tener 12 o 13 nucleones en su núcleo, y un isótopo estable del oxígeno puede tener 16, 17 o 18 nucleones.

[4] Schneider et al. hicieron observaciones espectroscópicas de estrellas individuales en 30 Doradus, una región de formación estelar en la cercana Gran Nube de Magallanes, usando el instrumento FLAMES (Fibre Large Array Multi Element Spectrograph), instalado en el VLT (Very Large Telescope). Este estudio fue uno de los primeros en llevarse a cabo que ha sido lo suficientemente detallado como para mostrar que el Universo es capaz de producir regiones de formación estelar con distribuciones de masas diferentes a la de la Vía Láctea.

Información adicional

Los resultados de ALMA se han publicado en artículo “Stellar populations dominated by massive stars in dusty starburst galaxies across cosmic time” y aparecen en la revista Nature el 4 de junio de 2018. Los resultados del VLT se han publicado en el artículo “An excess of massive stars in the local 30 Doradus starburst”, publicado en la revista Science el 5 de enero de 2018.

El equipo de ALMA está formado por Z. Zhang (Instituto de Astronomía, Universidad de Edimburgo, Edimburgo, Reino Unido; Observatorio Europeo Austral, Garching (cerca de Múnich), Alemania); D. Romano (INAF, Observatorio Astronómico de Bolonia, Bolonia, Italia); R. J. Ivison (Observatorio Europeo Austral, Garching (cerca de Múnich), Alemania; Instituto de Astronomía, Universidad de Edimburgo, Edimburgo, Reino Unido); P .P. Papadopoulos (Centro de Investigación de Astronomía, Academia de Atenas, Atenas, Grecia; Departamento de Física, Universidad Aristóteles de Tesalónica, Tesalónica, Grecia) y F. Matteucci (INAF, Observatorio Astronómico de Trieste, Trieste, Italia; INFN, Sede de Trieste, Trieste, Italia).

El equipo del VLT está formado por F. R. N. Schneider (Departamento de Física, Universidad de Oxford, Reino Unido); H. Sana (Instituto de Astrofísica, universidad KU Leuven, Bélgica); C. J. Evans (Centro de Tecnología Astronómica del Reino Unido, Real Observatorio de Edimburgo, Edimburgo, Reino Unido); J. M. Bestenlehner (Instituto Max-Planck de Astronomía, Heidelberg, Alemania; Departamento de Física y Astronomía, Universidad de Sheffield, Reino Unido); N. Castro (Departamento de Astronomía, Universidad de Michigan, EE.UU.); L. Fossati (Academia Austríaca de Ciencias, Instituto de Investigación Espacial, Graz, Austria); G. Gräfener (Instituto Argelander de Astronomía de la Universidad de Bonn, Alemania); N. Langer (Instituto Argelander de Astronomía de la Universidad de Bonn, Alemania); O. H. Ramírez-Agudelo (Centro de Tecnología Astronómica del Reino Unido, Real Observatorio de Edimburgo, Edimburgo, Reino Unido); C. Sabín-Sanjulián (Departamento de Física y Astronomía, Universidad de La Serena, Chile); S. Simón-Díaz (Instituto de Astrofísica de Canarias, Tenerife, España; Departamento de Astrofísica, Universidad de La Laguna, Tenerife, España);  F. Tramper (Centro Europeo de Astronomía Espacial, Madrid, España); P. A. Crowther (Departamento de Física y Astronomía, Universidad de Sheffield, Reino Unido); A. de Koter (Instituto de Astronomía Anton Pannekoek, Universidad de Ámsterdam, Países Bajos; Instituto de Astrofísica, universidad KU Leuven, Bélgica); S. E. de Mink (Instituto de Astronomía Anton Pannekoek, Universidad de Ámsterdam, Países Bajos); P. L. Dufton (Centro de Investigación Astrofísica, Escuela de Matemáticas y Física, Universidad de la Reina de Belfast, Irlanda del Norte, Reino Unido); M. Garcia (Centro de Astrobiología, CSIC-INTA, Madrid, España); M. Gieles (Departamento de Física, Facultad de Ingeniería y ciencias Físicas, Universidad de Surrey, Reino Unido); V. Hénault-Brunet (Consejo Nacional de Investigación, Herzberg Astronomía y Astrofísicas, Canadá; Departamento de Astrofísica/Instituto de Matemáticas, Astrofísica y Física de Partículas, Universidad Radboud, Países Bajos); A. Herrero (Departamento de Física y Astronomía, Universidad de La Serena, Chile); R. G. Izzard (Departamento de Física, Facultad de Ingeniería y ciencias Físicas, Universidad de Surrey, Reino Unido; Instituto de Astronomía, Los Observatorios, Cambridge, Reino Unido); V. Kalari (Departamento de Astronomía, Universidad de Chile, Santiago, Chile); D. J. Lennon (Centro Europeo de Astronomía Espacial, Madrid, España); J. Maíz Apellániz (Centro de Astrobiología, CSIC–INTA, campus del Centro Europeo de Astronomía Espacial, Villanueva de la Cañada, España); N. Markova (Instituto de Astronomía del Observatorio Astronómico Nacional, Academia Búlgada de Ciencias, Smolyan, Bulgaria); F. Najarro (Centro de Astrobiología, CSIC-INTA, Madrid, España); Ph. Podsiadlowski (Departamento de Física, Universidad de Oxford, Reino Unido; Instituto Argelander de Astronomía de la Universidad de Bonn, Alemania); J. Puls (Universidad Ludwig-Maximilians, Múnich, Alemania); W. D. Taylor (Centro de Tecnología Astronómica del Reino Unido, Real Observatorio de Edimburgo, Edimburgo, Reino Unido); J. Th. van Loon (Laboratorios Lennard-Jones, Universidad Keele, Staffordshire, Reino Unido); J. S. Vink (Observatorio de Armagh, Irlanda del Norte, Reino Unido) y C. Norman (Universidad Johns Hopkins, Baltimore, EE.UU.; Instituto de Ciencia del Telescopio Espacial, Baltimore, EE.UU.).

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.