ALMA desvela los secretos de una mancha espacial gigante

21 septiembre, 2016

Artículo Científico

Un equipo internacional de astrónomos que ha utilizado tanto el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) como el Very Large Telescope (VLT) del Observatorio Europeo Austral (ESO) y otros telescopios, ha descubierto la verdadera naturaleza de un extraño objeto del Universo distante llamado “mancha Lyman-Alfa”. Hasta ahora, los astrónomos no entendían qué mecanismo hacía que estas enormes nubes de gas brillaran tanto, pero ALMA ha detectado dos galaxias en el corazón de uno de estos objetos, y están atravesando una frenética etapa de formación estelar que ilumina todo su entorno. Estas enormes galaxias están, a su vez, en el centro de un enjambre de galaxias más pequeñas en lo que parece ser una fase temprana en la formación de un cúmulo masivo de galaxias. Las dos fuentes de ALMA están destinadas a convertirse en una única galaxia elíptica gigante.

Las manchas Lyman-alfa (LABs, de Lyman-alpha Blobs)1 son gigantescas nubes de gas de hidrógeno que pueden abarcar cientos de miles de años luz y se encuentran a grandes distancias cósmicas. El nombre refleja la característica longitud de onda de la luz ultravioleta que emiten, conocida como radiación Lyman-alfa2. Desde su descubrimiento, los procesos que dan lugar a los LABs han sido un rompecabezas astronómico. Ahora, nuevas observaciones llevadas a cabo con ALMA, han aclarado el misterio.

Una de las manchas Lyman-alfa más grande conocida, y la más ampliamente estudiada, es la mancha SSA22-Lyman-alfa 1 o LAB-1. Incrustado en el núcleo de un gran cúmulo de galaxias que se encuentra en las primeras etapas de formación, fue el primer objeto de su tipo en ser descubierto — en el año 2000 — y se encuentra tan lejos que su luz ha tardado unos 11.500 millones de años en llegar hasta nosotros.

Un equipo de astrónomos, liderado por Jim Geach, del Centro de Investigación en Astrofísica de la Universidad de Hertfordshire (Reino Unido), ha utilizado el radiotelescopio ALMA con su inigualable capacidad para observar la luz de las nubes de polvo frías en galaxias lejanas, para estudiar LAB-1 en profundidad. Esto les permitió identificar y distinguir varias fuentes de emisión submilimétrica3.


Simulación computacional de una mancha Lyman-alfa – Esta renderización muestra una fotografía de una simulación cosmológica de una mancha Lyman-alfa similar a LAB-1. Esta simulación rastrea la evolución del gas y de la materia oscura usando uno de los últimos modelos de formación de galaxias en el supercomputador Pleiades de la NASA. Esta imagen muestra la distribución del gas dentro del halo de materia oscura codificada en colores, de manera que el gas frío (principalmente hidrógeno neutro) aparece rojo y el gas caliente se ve en color blanco. Incrustadas en el centro de este sistema hay dos galaxias con fuerte formación estelar, pero están rodeadas por gas caliente y por muchas galaxias satélite más pequeñas que aquí aparecen como pequeñas manchas rojas de gas. Los fotones Lyman-alfa escapan de las galaxias centrales y dispersan el gas frío asociado a estos satélites para dar lugar a una mancha extendida de Lyman-alfa. Crédito: J.Geach/D.Narayanan/R.Crain | Descargar imagen

Combinando las imágenes de ALMA con las observaciones del instrumento MUSE (Multi Unit Spectroscopic Explorer), instalado en el VLT para captar la luz Lyman-alfa, pudieron demostrar que las fuentes de ALMA se encuentran en el corazón de la mancha Lyman-alfa, donde están formando estrellas a un ritmo cien veces superior al de la Vía Láctea.


Infografía que explica cómo funciona una mancha Lyman-alfa – Este diagrama explica cómo brilla una mancha Lyman-alfa, uno de los objetos más grandes y más brillantes en el universo. Crédito: ESO/J. Geach | Descargar imagen

Además, la capacidad del Telescopio Espacial Hubble de NASA/ESA de obtener imágenes de campo profundo y la espectroscopía proporcionada por el Observatorio W. M. Keck4 demostraron que las fuentes de ALMA están rodeadas por numerosas galaxias compañeras débiles que podrían estar bombardeando las fuentes centrales de ALMA, ayudando a impulsar sus altas tasas de formación estelar.

Llegados a este punto, el equipo llevó a cabo una sofisticada simulación de formación de galaxias para demostrar que la gigante nube brillante de emisión Lyman-alfa puede explicarse si la luz ultravioleta producida por la formación de estrellas en las fuentes de ALMA dispersa el gas de hidrógeno circundante. Esto daría lugar a la mancha Lyman-alfa que vemos.


Una gigantesca mancha espacial resplandece desde el interior – Esta imagen muestra uno de los objetos más grandes conocidos en el Universo, la mancha Lyman-alfa LAB-1. Esta imagen es una composición de dos imágenes diferentes tomadas con el instrumento FORS, instalado en el VLT (Very Large Telescope): se trata de una imagen más amplia que muestra las galaxias circundantes y otra observación mucho más profunda de la propia mancha del centro, hecha para detectar su polarización. La intensa radiación ultravioleta Lyman-alfa de la mancha aparece verde tras haber sido estirada por la expansión del Universo durante su largo viaje hacia la Tierra. Estas nuevas observaciones muestran, por primera vez, que la luz de este objeto está polarizada. Esto significa que la gigantesca mancha debe estar siendo alimentada por galaxias incrustadas dentro de la nube. Crédito: ESO/M. Hayes | Descargar imagen

Jim Geach, autor principal del nuevo estudio, explica: «Imaginen un farol en una noche con niebla: vemos el resplandor difuso porque la luz se dispersa por las pequeñas gotitas de agua. Aquí sucede algo similar, salvo que el farol es una galaxia con intensa formación estelar y la niebla es una enorme nube de gas intergaláctico. Las galaxias están iluminando su entorno».


Una gigantesca mancha espacial resplandece desde el interior – Esta secuencia de imágenes nos acerca a uno de los objetos más grandes conocidos en el Universo, la mancha Lyman-alfa LAB-1. Observaciones llevadas a cabo con el VLT (Very Large Telescope) de ESO, muestran por primera vez que esta gigantesca mancha debe estar siendo alimentada por galaxias incrustadas dentro de la nube. La imagen de la izquierda muestra una visión amplia de la constelación de Acuario. Las dos imágenes de la parte superior derecha se crearon a partir de fotografías tomadas a través de filtros azules y rojos y forman parte del sondeo Digitized Sky Survey 2. La imagen final, en la parte inferior derecha, fue tomada con la cámara FORS, instalada en el VLT. Crédito: ESO/A. Fujii/M. Hayes y Digitized Sky Survey 2 | Descargar imagen

Entender cómo se forman y evolucionan las galaxias es un desafío enorme. Los astrónomos piensan que las manchas Lyman-alfa son importantes porque parecen ser los lugares donde se forman las galaxias más masivas del Universo. En particular, la luz Lyman-alfa extendida, proporciona información sobre lo que está sucediendo en la nube de gas primordial que rodea a las galaxias jóvenes, una región que es muy difícil de estudiar, pero cuya comprensión resulta fundamental.


Visión de campo amplio de los alrededores de una mancha espacial gigante – Esta imagen de amplio campo en luz visible de la región que rodea a la gigantesca mancha Lyman-alfa LAB1 fue creada a partir de fotografías tomadas a través de filtros azules y rojos que forman parte del sondeo Digitized Sky Survey 2. La propia mancha se encuentra en el centro de la imagen pero, a pesar de ser enorme y muy luminosa, está tan lejos que es demasiado débil para verla claramente en esta imagen. El campo de visión es aproximadamente de 2,9 grados. Crédito: ESO y Digitized Sky Survey 2 | Descargar imagen

Jim Geach, concluye, «Lo que resulta emocionante acerca de estas manchas es que por fin podemos ver lo que está sucediendo alrededor de estas galaxias jóvenes en crecimiento. Durante mucho tiempo, el origen de la luz Lyman-alfa extendida ha generado polémica. Pero, con la combinación de nuevas observaciones y simulaciones de vanguardia, creemos haber resuelto un misterio de hace 15 años: Lyman-alfa Blob-1 es el lugar de formación de una galaxia elíptica masiva que un día será el corazón de un cúmulo gigante. Estamos viendo una fotografía de la unión de esta galaxia hace 11.500 millones de años».

Acercándonos a una mancha espacial gigante – Esta secuencia de video comienza con una visión de amplio campo de la tenue constelación de Acuario y lentamente se acerca a uno de los objetos más grandes conocidos del Universo, la mancha Lyman-alfa LAB1. Observaciones llevadas a cabo con el VLT de ESO muestran, por primera vez, que la gigantesca mancha debe estar siendo alimentada por galaxias incrustadas dentro de la nube. Crédito: ESO/A. Fujii/Digitized Sky Survey 2/M. Hayes | Música: John Dyson (del álbum Moonwind)

Información adicional

Este trabajo de investigación se ha presentado en el artículo científico titulado “ALMA observations of Lyman-α Blob 1: Halo sub-structure illuminated from within”, por J. Geach et al., que aparece en la revista Astrophysical Journal. [Versión manuscrita disponible en: https://arxiv.org/abs/1608.02941]

El equipo está formado por J. E. Geach (Centro de Investigación en Astrofísica, Universidad de Hertfordshire, Hatfield, Reino Unido); D. Narayanan (Departamento de Física y Astronomía, Haverford College, Haverford PA, EE.UU.; Departamento de Astronomía, Universidad de Florida, Gainesville FL, EE.UU.); Y. Matsuda (Observatorio Astronómico Nacional de Japón, Mitaka, Tokio, Japón; The Graduate University for Advanced Studies, Mitaka, Tokio, Japón); M. Hayes (Universidad de Estocolmo, Departamento de Astronomía y Centro Oskar Klein de Física de Cosmopartículas, Estocolmo, Suecia); Ll. Mas-Ribas (Instituto de Astrofísica Téórica, Universidad de Oslo, Oslo, Noruega); M. Dijkstra (Instituto de Astrofísica Téórica, Universidad de Oslo, Oslo, Noruega); C. C. Steidel (Instituto Tecnológico de California, Pasadena CA, EE.UU.); S. C. Chapman (Departamento de Física y Ciencias de la Atmósfera, Universidad Dalhousie, Halifax, Canadá); R. Feldmann (Departamento de Astronomía, Universidad de California, Berkeley CA, EE.UU.); A. Avison (Nodo del Centro Regional de ALMA del Reino Unido; Centro Jodrell Bank de Astrofísica, Escuela de Física y Astronomía, Universidad de Manchester, Manchester, Reino Unido); O. Agertz (Departamento de Física, Universidad de Surrey, Guildford, Reino Unido); Y. Ao (Observatorio Astronómico Nacional de Japón, Mitaka, Tokio, Japón); M. Birkinshaw (Laboratorio de Física H.H. Wills, Universidad de Bristol, Bristol, Reino Unido); M. N. Bremer (Laboratorio de Física H.H. Wills, Universidad de Bristol, Bristol, Reino Unido); D. L. Clements (Grupo de Astrofísica, Imperial College de Londres, Laboratorio Blackett, Londres, Reino Unido); H. Dannerbauer (Instituto de Astrofísica de Canarias, La Laguna, Tenerife, España; Universidad de La Laguna, Astrofísica, La Laguna, Tenerife, España); D. Farrah (Departamento de Física, Virginia Tech, Blacksburg VA, EE.UU.); C. M. Harrison (Centro de Astronomía Extragaláctica, Departamento de Física, Universidad de Durham, Durham, Reino Unido); M. Kubo (Observatorio Astronómico Nacional de Japón, Mitaka, Tokio, Japón); M. J. Michałowski (Instituto de Astronomía, Universidad de Edimburgo, Real Observatorio, Edimburgo, Reino Unido); D. Scott (Departamento de Física & Astronomía, Universidad de British Columbia, Vancouver, Canadá); M. Spaans (Instituto de Astronomía Kapteyn, Universidad de Groningen, Groningen, Países Bajos); J. Simpson (Instituto de Astronomía, Universidad de Edimburgo, Real Observatorio, Edimburgo, Reino Unido); A. M. Swinbank (Centro de Astronomía Extragaláctica, Departamento de Física, Universidad de Durham, Durham, Reino Unido); Y. Taniguchi (Universidad Abierta de Japón, Chiba, Japón); E. van Kampen (ESO, Garching, Alemania); P. Van Der Werf (Observatorio de Leiden, Universidad de Leiden, Leiden, Países Bajos); A. Verma (Astrofísica de Oxford, Departamento de Física, Universidad de Oxford, Oxford, Reino Unido) y T. Yamada (Instituto de Astronomía, Universidad de Tohoku, Miyagi, Japón).

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.

  1. Una burbuja Lyman-alpha (Lyman-alfa blob – LAB), es una enorme nube de hidrógeno, una enorme concentración de gas, del tamaño de varias galaxias, es decir, un tamaño de varios cientos de miles de años luz. Los LABs son los mayores objetos conocidos en el universo. Algunas de estas estructuras de tejido blando tienen más de 400 000 años luz de diámetro. Estas gigantescas estructuras de hidrógeno, de los inicios del universo, son como una nebulosa, y emiten fuertemente en la línea de emisión Lyman-alpha del hidrógeno. Normalmente, la emisión Lyman-alfa son en el ultravioleta, pero las burbujas son tan lejanas que su luz es desplazada hacia el rojo, y se hacen visibles en el dominio óptico.
  2. Los electrones de carga negativa que orbitan el núcleo con carga positiva en un átomo tienen niveles cuantizados de energía. Es decir, sólo puede existir en estados de energía específicos, y sólo puede haber transición entre ellos si ganan o pierden cantidades precisas de energía. La radiación Lyman-alfa se produce cuando los electrones de los átomos de hidrógeno caen desde el segundo nivel más bajo hacia el nivel más bajo de energía. La cantidad exacta de energía perdida se libera como luz con una longitud de onda particular, en la parte ultravioleta del espectro, que los astrónomos pueden detectar con telescopios espaciales o basados en Tierra en el caso de objetos desplazados al rojo. En el caso de LAB-1, cuyo desplazamiento al rojo es de z~3, la luz Lyman-alfa se ve como luz visible.
  3. La resolución es la capacidad de ver que dos objetos están separados. En baja resolución, varias fuentes luminosas a una determinada distancia parecerían un solo punto brillante, y únicamente podrían distinguirse como fuentes individuales a distancias más cercanas. La alta resolución de ALMA ha permitido distinguir lo que previamente parecía ser una sola mancha en tres fuentes distintas.
  4. Los instrumentos utilizados fueron el espectrógrafo STIS (Space Telescope Imaging Spectograph) instalado en el Telescopio Espacial Hubble de NASA/ESA y el espectrómetro multiobjeto MOSFIRE (Multi-Object Spectrometer For Infra-Red Exploration), instalado en el telescopio Keck 1, en Hawái.