Objeto más distante observado por ALMA arroja luz sobre primeras estrellas

8 Marzo, 2017

Astrónomos utilizaron el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) para detectar una enorme masa de brillante polvo de estrellas en una galaxia vista cuando el Universo tenía sólo el cuatro por ciento de su edad actual. Esta galaxia fue observada poco después de su formación y es la galaxia más distante en la que se ha detectado polvo. Esta observación es también la detección de oxígeno más distante en el Universo. Estos nuevos resultados proporcionan información acerca del nacimiento y la explosiva muerte de las primeras estrellas.

El equipo internacional de astrónomos, liderado por Nicolas Laporte, del University College de Londres, utilizó ALMA para observar la galaxia A2744_YD4, la más joven y alejada vista por este observatorio. Se sorprendió al descubrir que esta joven galaxia contiene una gran cantidad de polvo interestelar, polvo formado por la muerte de una generación anterior de estrellas.

Posteriores observaciones de seguimiento realizadas con el Very Large Telescope (VLT) de ESO, confirmaron la enorme distancia que nos separa de A2744_YD4. Vemos la galaxia como era cuando el Universo tenía sólo 600 millones de años, durante el período en el que se estaban formando las primeras estrellas y galaxias [1].

Esta ilustración muestra cuál podría ser el aspecto de la joven y remota galaxia A2744_YD4. Las observaciones llevadas a cabo con ALMA han demostrado que esta galaxia, vista cuando el Universo tenía sólo el 4% de su edad actual, es rica en polvo. Este polvo fue creado por una generación anterior de estrellas y estas observaciones proporcionan información acerca del nacimiento y la explosiva muerte de las primeras estrellas del Universo. Crédito: ESO/M. Kornmesser | Descargar imagen

“A2744_YD4 no es solo la galaxia más lejana observada hasta ahora por ALMA”, comenta Nicolas Laporte, “sino que la detección de tanto polvo indica que esta galaxia ya había sido contaminada por supernovas tempranas”.

El polvo cósmico se compone, principalmente, de silicio, carbono y aluminio en granos diminutos de tamaños de una millonésima de centímetro. Los elementos químicos de estos granos se forjan dentro de las estrellas y son esparcidos por el Cosmos cuando las estrellas mueren (en el caso de explosiones de supernova de forma espectacular, el destino final de las estrellas masivas de breve duración). Hoy en día, este polvo es abundante y es un elemento clave en la formación de estrellas, planetas y moléculas complejas; pero en el Universo temprano, antes de que murieran las primeras generaciones de estrellas, era escaso.

Esta imagen está dominada por una espectacular vista del rico cúmulo de galaxias Abell 2744, obtenida por el Telescopio Espacial Hubble de NASA/ESA. Pero, más allá de esta agrupación, y vista cuando el Universo tenía sólo 600 millones de años de edad, hay una galaxia muy débil llamada A2744_YD4. Nuevas observaciones de esta galaxia llevadas a cabo con ALMA, marcadas en rojo, han demostrado que es rica en polvo. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), NASA, ESA, ESO and D. Coe (STScI)/J. Merten (Heidelberg/Bologna) | Descargar imagen

Las observaciones de la polvorienta galaxia A2744_YD4 fueron posibles porque esta galaxia se encuentra detrás de un cúmulo de galaxias masivas llamado Abell 2744 [2]. Debido a un fenómeno llamado de lentes gravitacionales, el cúmulo actuó como un gigante “telescopio” cósmico, ampliando la galaxia A2744_YD4 aproximadamente unas 1,8 veces, permitiendo al equipo penetrar en nuestro Universo temprano.

Las observaciones de ALMA también detectaron la brillante emisión del oxígeno ionizado de A2744_YD4. Esta es la más distante y, por lo tanto, la detección más temprana de oxígeno en el Universo, superando otro resultado de ALMA de 2016.

La detección de polvo en el Universo temprano proporciona nueva información sobre cuándo explotaron las primeras supernovas y, por consiguiente, sobre la época en la que las primeras estrellas calientes iluminaron el Universo con su luz. Medir los tiempos de este “amanecer cósmico” es uno de los santos griales de la astronomía moderna, y puede investigarse indirectamente a través del estudio del polvo interestelar temprano.

El equipo estima que A2744_YD4 contiene una cantidad de polvo equivalente a 6 millones de veces la masa de nuestro Sol, mientras que la masa estelar total de la galaxia —la masa de todas sus estrellas—, fue de 2.000 millones de veces la masa de nuestro Sol. El equipo también midió la tasa de formación estelar en A2744_YD4 y descubrió que las estrellas se forman a un ritmo de 20 masas solares por año, en comparación con una sola masa solar por año en la Vía Láctea [3].

Esta ilustración muestra cuál podría ser el aspecto de la joven y remota galaxia A2744_YD4 y cómo las explosiones de supernova (la muerte de estrellas muy masivas y brillantes) la contaminó de polvo. Observaciones llevadas a cabo con ALMA de esta galaxia, vista cuando el Universo tenía sólo el 4% de su edad actual, proporcionan información acerca del nacimiento y la explosiva muerte de las primeras estrellas del Universo. Crédito: ESO/M. Kornmesser

“Esta tasa no es inusual para una galaxia tan lejana, pero arroja luz sobre a qué velocidad se formó el polvo en A2744_YD4”, explica el coautor del estudio Richard Ellis (ESO y University College de Londres). “Sorprendentemente, el tiempo necesario es de tan solo unos 200 millones de años, por lo que estamos observando esta galaxia poco después de su formación”.

Esta secuencia de zoom comienza con un viaje a través de la tenue constelación del Escultor. Pronto vemos un rico grupo de galaxias distantes, el cúmulo Abell 2744, conocido como Cúmulo de Pandora. Pero si continuamos profundizando en el Universo temprano, terminamos el viaje mirando la polvorienta galaxia A2744_YD4, la galaxia más distante jamás vista con ALMA. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), NASA, ESA, ESO and D. Coe (STScI)/J. Merten (Heidelberg/Bologna)/spaceengine.org/Digitized Sky Survey 2

Esto significa que la etapa importante de formación estelar comenzó aproximadamente 200 millones de años antes de la época en que la galaxia está siendo observada. Se trata de una gran oportunidad para que ALMA ayude a estudiar la época en la que “se encendieron” las primeras estrellas y galaxias, la época más temprana estudiada. Nuestro Sol, nuestro planeta y nuestra existencia son el resultado —13.000 millones de años más tarde— de esta primera generación de estrellas. Mediante el estudio de su formación, vidas y muertes, exploramos nuestros orígenes.

“Con ALMA, las perspectivas de realizar observaciones más profundas y extensas de galaxias similares en estas primeras épocas son muy prometedoras”, afirma Ellis.

Y Laporte concluye: “Poder hacer medidas de este tipo en el futuro ofrece la emocionante posibilidad de trazar la formación temprana de las estrellas y estudiar la creación de los elementos químicos más pesados yendo aún más atrás, retrocediendo al Universo temprano”.

Notas

Este tiempo se corresponde con un desplazamiento al rojo de z=8,38, durante la época de reionización.

Abell 2744 es un objeto masivo que se encuentra a 3.500 millones de años luz de distancia (desplazamiento al rojo de 0,308), y se cree que es el resultado del choque de cuatro pequeños cúmulos de galaxias. Ha sido apodado el “Cúmulo de Pandora” debido a la gran cantidad de extraños fenómenos diferentes desencadenados por la enorme colisión que se produjo durante un período de unos 350 millones de años. Las galaxias constituyen sólo el cinco por ciento de la masa del cúmulo, mientras que la materia oscura supone el setenta y cinco por ciento, proporcionando la enorme influencia gravitacional necesaria para doblar y ampliar la luz de las galaxias de fondo. Se cree que el restante veinte por ciento de la masa total está en forma de gas caliente.

Esta tasa significa que la masa total de las estrellas que se forman cada año equivale a 20 veces la masa del Sol.

Información adicional

Este trabajo de investigación se ha presentado en el artículo científico titulado “Dust in the Reionization Era: ALMA Observations of a z =8.38 Gravitationally-Lensed Galaxy” por Laporte et al., que aparece en la revista The Astrophysical Journal Letters.

El equipo está formado por N. Laporte (University College de Londres, Reino Unido); R. S. Ellis (University College de Londres, Reino Unido; ESO, Garching, Alemania); F. Boone (Instituto de Investigación en Astrofísica y Planetología (IRAP), Toulouse, Francia); F. E. Bauer (Pontificia Universidad Católica de Chile, Instituto de Astrofísica, Santiago, Chile); D. Quénard (Universidad Queen Mary de Londres, Londres, Reino Unido); G. Roberts-Borsani (University College de Londres, Reino Unido); R. Pelló (Instituto de Investigación en Astrofísica y Planetología (IRAP), Toulouse, Francia); I. Pérez-Fournon (Instituto de Astrofísica de Canarias, Tenerife, España; Universidad de La Laguna, Tenerife, España); y A. Streblyanska (Instituto de Astrofísica de Canarias, Tenerife, España; Universidad de La Laguna, Tenerife, España).

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.