ALMA estudia enorme galaxia distante gracias a ayuda gravitacional

8 junio, 2015

En 2014, la Campaña de Línea Base Larga de ALMA, que separó las antenas hasta por 15 kilómetros entre sí, produjo una imagen increíblemente detallada de la galaxia distante SDP.81 sometida a un lente gravitacional [1]. Nuevos análisis de esta imagen revelan detalles nunca antes vistos en una galaxia tan lejana, incluyendo cúmulos con material concentrado de formación estelar increíblemente masivos.

Las observaciones de SDP.81 con ALMA fueron posibles gracias a un efecto cósmico conocido como lente gravitacional, en que una enorme galaxia situada entre SDP.81 y ALMA  actúa como una lente, deformando la luz de la galaxia más distante y creando un ejemplo casi perfecto de un fenómeno llamado anillo de Einstein [2].

Composición del anillo de Einstein de SDP.81 y de la galaxia observada a través de la lente gravitacional

La imagen de la izquierda muestra a la galaxia en primer plano que hace de lente (observada con Hubble), y a la galaxia que vemos a través de la lente, SDP.81, que forma un anillo de Einstein casi perfecto y que apenas puede verse. La imagen central muestra la imagen nítida observada con ALMA del anillo de Einstein, con la galaxia en primer plano que hace de lente invisible para ALMA. La imagen resultante de la galaxia lejana (derecha), reconstruida utilizando sofisticados modelos de la lente gravitacional amplificadora, revela estructuras finas dentro del anillo que nunca antes se habían visto: varias nubes de polvo dentro de la galaxia que se cree que son nubes moleculares gigantes y frías, lugares donde nacen estrellas y planetas. Crédito: ALMA (NRAO/ESO/NAOJ)/Y. Tamura (The University of Tokyo)/Mark Swinbank (Durham University). | Descargar imagen

Desde entonces, al menos siete grupos de científicos [3] analizaron en forma independiente los datos de SDP.81 obtenidos por ALMA. La serie de artículos publicados contiene numerosas revelaciones sobre la galaxia, tales como detalles de su estructura, contenido y movimiento, entre otras características físicas.

Como ALMA es un interferómetro, es decir un conjunto de antenas que trabaja en perfecta sincronía para captar la luz como si fuera un enorme telescopio, puede ajustar su resolución relocalizando sus antenas. Durante esta campaña de observaciones, el conjunto de antenas de ALMA se encontraba en su máxima extensión –hasta 15 kilómetros de distancia entre antenas– proveyendo la mayor resolución obtenida hasta ahora por el telescopio. Por consiguiente, las nuevas imágenes de SDP.81 tienen una resolución más de seis veces superior [4] a las que se obtienen en la frecuencia infrarroja con el telescopio espacial Hubble de NASA/ESA.

Lente gravitacional de galaxias distantes con formación estelar (esquema). Esta imagen esquemática muestra cómo la luz de una galaxia distante se distorsiona a causa del efecto gravitacional de una galaxia en primer plano que se interpone entre nosotros y la galaxia de fondo. La galaxia en primer plano actúa como una lupa y hace que la fuente distante aparezca distorsionada, pero amplificada, formando característicos anillos de luz, conocidos como anillos de Einstein. Un análisis de la distorsión de SDP.81 causada por este efecto ha revelado cúmulos de materia con formación estelar. Crédito: ALMA (NRAO/ESO/NAOJ)/Luis Calçada (ESO) | Descargar video

Usando sofisticados modelos para corregir la distorsión generada por el lente gravitacional, los astrónomos pudieron revelar una detallada y hasta ahora desconocida estructura en SDP.81. Dicha estructura estaría formada por nubes de polvo donde se cree que hay grandes depósitos de gas molecular frío, justamente el tipo de lugar donde suelen formarse estrellas y planetas.

Gracias a ello, ALMA pudo observar aglomeraciones de unos 200 años luz de extensión existentes en la galaxia, que serían incubadoras de estrellas. Es la primera vez que se observa este fenómeno a una distancia tan grande.

«Si bien ALMA fue diseñado para ser el telescopio más poderoso de su tipo, al aprovechar el efecto de ampliación provocado por la lente gravitacional, pudimos estudiar un misterioso y distante objeto con un nivel de detalle que habría sido imposible obtener de otra forma», afirma Todd Hunter, astrónomo del Observatorio Radioastronómico Nacional de Estados Unidos (NRAO, en su sigla en inglés) y coautor de uno de los artículos. «Este conjunto de datos abarca toda una serie de investigaciones sumamente interesantes que confirman que ALMA está proporcionando a la comunidad astronómica nuevos medios para estudiar el Universo distante».

Lente gravitacional de galaxias distantes con formación estelar (esquema). Esta imagen esquemática muestra cómo la luz de una galaxia distante se distorsiona a causa del efecto gravitacional de una galaxia en primer plano que se interpone entre nosotros y la galaxia de fondo. La galaxia en primer plano actúa como una lupa y hace que la fuente distante aparezca distorsionada, pero amplificada, formando característicos anillos de luz, conocidos como anillos de Einstein. Un análisis de la distorsión de SDP.81 causada por este efecto ha revelado cúmulos de materia con formación estelar. Crédito: ALMA (NRAO/ESO/NAOJ)/Luis Calçada (ESO) | Descargar video

«La imagen de ALMA de la galaxia reconstituida es espectacular», celebra Rob Ivison, coautor de dos de los artículos publicados y Director de Ciencia del Observatorio Europeo Austral (ESO, en su sigla en inglés).«La enorme área de recolección de ALMA, así como la amplia separación de sus antenas y la estable atmósfera que hay sobre el desierto de Atacama se traducen en un extraordinario nivel de detalle, tanto en términos de las imágenes como de los espectros. Esto significa que realizamos observaciones de gran sensibilidad y obtenemos información sobre la manera en que se mueven diferentes partes de la galaxia. Ahora podemos estudiar las galaxias al otro extremo del Universo y ver cómo se fusionan y crean una gran cantidad de estrellas.Es el tipo de cosas por las que me levanto todas las mañanas», agrega Ivison .

Con los datos espectrales recabados por ALMA, los astrónomos también estudiaron la rotación de la galaxia distante y estimaron su masa. Los datos revelaron que el gas presente en esta galaxia es inestable: hay partes de este gas que colapsan hacia dentro y que probablemente terminarán formando incubadoras gigantes de estrellas.

Los modelos del efecto de lente gravitacional también delatan la presencia de un agujero negro supermasivo en el centro de la galaxia que actúa como lente [5]. Como la imagen central de SDP.81 es demasiado débil para ser detectada, se deduce que la galaxia intermedia contiene un agujero negro supermasivo con una masa equivalente a 200 a 300 millones de veces la masa de nuestro Sol.

Finalmente, la cantidad de artículos publicados solo a partir de este conjunto de datos de ALMA refleja el entusiasmo que genera el potencial del observatorio, debido a su enorme capacidad de resolución y recolección de luz. También deja entrever el tipo de hallazgos que ALMA facilitará a los astrónomos en los próximos años, develando nuevas preguntas sobre la naturaleza de las galaxias distantes.

La galaxia de fondo, observada con lente gravitacional

La imagen resultante de la galaxia lejana, reconstruida utilizando sofisticados modelos de la lente gravitacional amplificadora, revela estructuras finas dentro del anillo que nunca antes se habían visto: varias nubes de polvo dentro de la galaxia que se cree que son nubes moleculares, lugares donde nacen estrellas y planetas. Crédito: ALMA (NRAO/ESO/NAOJ)/Mark Swinbank (Durham University) | Descargar imagen

The Antennae galaxies

En esta imagen vemos a la galaxia que hace de lupa, SDP.81, y que aparece como un anillo de Einstein casi perfecto. Crédito: ALMA (NRAO/ESO/NAOJ)/Y. Tamura (The University of Tokyo) | Descargar imagen

The Antennae galaxies

En la imagen vemos en primer plano la galaxia que hace de lente (observada con Hubble), y la galaxia que vemos a través de la lente, SDP.81, que forma un anillo de Einstein casi perfecto y que apenas puede verse. Crédito: ALMA (NRAO/ESO/NAOJ)/Y. Tamura (The University of Tokyo)/Mark Swinbank (Durham University) | Descargar imagen

Notas

[1] La galaxia sometida a la lente gravitacional se observa tal como era cuando el Universo tenía apenas un 15 % de su edad actual, tan solo 2400 millones de años después del Big Bang o Gran Explosión. Su luz tardó más del doble de la edad de la Tierra para llegar hasta nosotros, y en el camino fue desviada por una galaxia masiva que está relativamente cerca, a 4000 millones de años luz de nosotros.

[2] El efecto de lente gravitacional fue predicho por Albert Einstein en su teoría de la relatividad general. Según esta teoría, los objetos curvan el espacio y el tiempo, y cualquier luz que se acerque a este espacio-tiempo curvo sigue las mismas curvas creadas por el objeto. Esto permite a los objetos particularmente masivos, como las galaxias gigantes y los cúmulos de galaxias, funcionar como una lupa cósmica. El anillo de Einstein es un tipo especial de lente gravitacional donde la Tierra, la galaxia más cercana que actúa como lente y la galaxia lejana sometida a su efecto están perfectamente alineadas y crean una distorsión armoniosa que cobra la forma de un anillo de luz. Este fenómeno se muestra en el video A.

[3] The science teams are listed below.

[4] Details down to 0.023 arcseconds, or 23 milliarcseconds, can be measured in these data. Hubble Space Telescope observed this galaxy in the near-infrared, with a resolution of about 0.16 arcseconds. Note, however, that when observing at shorter wavelengths, Hubble can reach finer resolutions, down to 0.022 arcseconds in the near-ultraviolet. ALMA’s resolution can be adjusted depending on the type of observations by moving the antennas further apart or closer together. For these observations, the widest separation was used, resulting in ALMA’s finest resolution possible at these wavelengths.

[5] The high-resolution ALMA image enables researchers to look for the central part of the background galaxy, which is expected to appear at the center of the Einstein ring. If the foreground galaxy has a supermassive black hole at the center, the central image becomes fainter. The faintness of the central image indicates how massive the black hole in the foreground galaxy is.

Información adicional

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.

Esta investigación se presenta en ocho publicaciones. Los equipos científicos se detallan a continuación:

http://arxiv.org/abs/1503.07605

Yoichi Tamura (The University of Tokyo), Masamune Oguri (The University of Tokyo), Daisuke Iono (National Astronomical Observatory of Japan/SOKENDAI), Bunyo Hatsukade (National Astronomical Observatory of Japan), Yuichi Matsuda (National Astronomical Observatory of Japan/SOKENDAI), y Masao Hayashi (National Astronomical Observatory of Japan).

http://arxiv.org/abs/1503.08720

Simon Dye (University of Nottingham), Christina Furlanetto (University of Nottingham; CAPES Foundation, Ministerio de Educación de Brasil, Brasil), Mark Swinbank (Durham University), Catherine Vlahakis (Joint ALMA Observatory, Chile; ESO, Chile), James Nightingale (University of Nottingham), Loretta Dunne (University of Canterbury, New Zealand; Institute for Astronomy [IfA], Royal Observatory Edinburgh), Steve Eales (Cardiff University), Ian Smail (Durham), Ivan Oteo-Gomez (IfA, Edimburgo; ESO, Alemania), Todd Hunter (National Radio Astronomy Observatory, Charlottesville, Virginia, EE.UU.), Mattia Negrello (INAF, Osservatorio Astronomico di Padova, Vicolo Osservatorio, Padova, Italia), Helmut Dannerbauer (Universitat Wien, Viena, Austria), Rob Ivison (IfA, Edimburgo; ESO, Alemania), Raphael Gavazzi (Universite Pierre et Marie Curie, Paris), Asantha Cooray (California Institute of Technology, EE.UU.) y Paul van der Werf (Leiden University, Países Bajos).

http://arxiv.org/abs/1505.05148

Mark Swinbank (Durham University), Simon Dye (University of Nottingham), James Nightingale (University of Nottingham), Christina Furlanetto (University of Nottingham; CAPES Foundation, Ministerio de Educación de Brasil, Brasil), Ian Smail (Durham), Asantha Cooray (California Institute of Technology, EE.UU.), Helmut Dannerbauer (Universitat Wien, Viena, Austria), Loretta Dunne (University of Canterbury, Nueva Zelanda; Institute for Astronomy [IfA], Royal Observatory Edinburgh), Steve Eales (Cardiff University), Raphael Gavazzi (Universite Pierre et Marie Curie, Paris), Todd Hunter (National Radio Astronomy Observatory, Charlottesville, Virginia, EE.UU.), Rob Ivison (IfA, Edimburgo; ESO, Alemania), Mattia Negrello (INAF, Osservatorio Astronomico di Padova, Vicolo Osservatorio, Padova, Italia), Ivan Oteo-Gomez (IfA, Edimburgo; ESO, Alemania), Renske Smit (Durham), Paul van der Werf (Leiden University, Países Bajos), and Catherine Vlahakis (Joint ALMA Observatory, Chile; ESO, Chile).

http://arxiv.org/abs/1503.05558

Kenneth C. Wong (Institute of Astronomy and Astrophysics, Academia Sinica (ASIAA), Taipei, Taiwan), Sherry H. Suyu (ASIAA, Taiwan), and Satoki Matsushita (ASIAA, Taiwan)

http://arxiv.org/abs/1503.07997

Bunyo Hatsukade (National Astronomical Observatory of Japan, Tokio, Japón) Yoichi Tamura (Institute of Astronomy, University of Tokyo, Tokio, Japón), Daisuke Iono (National Astronomical Observatory of Japan; The Graduate University for Advanced Studies [SOKENDAI], Tokio, Japón), Yuichi Matsuda (National Astronomical Observatory of Japan), Masao Hayashi (National Astronomical Observatory of Japan), Masamune Oguri (Research Center for the Early Universe, University of Tokyo, Tokio, Japón; Department of Physics, University of Tokyo, Tokio, Japón; Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe [Kavli IPMU, WPI], University of Tokyo, Chiba, Japón)

http://arxiv.org/abs/1503.02652

The ALMA Partnership, C. Vlahakis (Joint ALMA Observatory [JAO]; ESO), T. R. Hunter (National Radio Astronomy Observatory [NRAO]), J. A. Hodge (NRAO) , L. M. Pérez (NRAO) , P. Andreani (ESO), C. L. Brogan (NRAO) , P. Cox (JAO, ESO) , S. Martin (Institut de Radioastronomie Millimétrique [IRAM]), M. Zwaan (ESO) , S. Matsushita (Institute of Astronomy and Astrophysic, Taiwan) , W. R. F. Dent (JAO, ESO), C. M. V. Impellizzeri (JAO, NRAO), E. B. Fomalont (JAO, NRAO), Y. Asaki (National Astronomical Observatory of Japan; Institute of Space and Astronautical Science (ISAS), Japan Aerospace Exploration Agency [JAXA]) , D. Barkats (JAO, ESO) , R. E. Hills (Astrophysics Group, Cavendish Laboratory), A. Hirota (JAO; National Astronomical Observatory of Japan), R. Kneissl (JAO, ESO), E. Liuzzo (INAF, Istituto di Radioastronomia), R. Lucas (Institut de Planétologie et d’Astrophysique de Grenoble) , N. Marcelino (INAF), K. Nakanishi (JAO, National Astronomical Observatory of Japan), N. Phillips (JAO, ESO), A. M. S. Richards (University of Manchester), I. Toledo (JAO), R. Aladro (ESO), D. Broguiere (IRAM), J. R. Cortes (JAO, NRAO), P. C. Cortes (JAO, NRAO), D. Espada (ESO, National Astronomical Observatory of Japan), F. Galarza (JAO), D. Garcia-Appadoo (JAO, ESO), L. Guzman-Ramirez (ESO), A. S. Hales (JAO, NRAO) , E. M. Humphreys (ESO) , T. Jung (Korea Astronomy and Space Science Institute), S. Kameno (JAO, National Astronomical Observatory of Japan) , R. A. Laing (ESO), S. Leon (JAO, ESO) , G. Marconi (JAO, ESO) , A. Mignano (INAF) , B. Nikolic (Astrophysics Group, Cavendish Laboratory), L. A. Nyman (JAO, ESO), M. Radiszcz (JAO), A. Remijan (JAO, NRAO), J. A. Rodón (ESO), T. Sawada (JAO, National Astronomical Observatory of Japan), S. Takahashi (JAO, National Astronomical Observatory of Japan), R. P. J. Tilanus (Leiden University), B. Vila Vilaro (JAO, ESO), L. C. Watson (ESO), T. Wiklind (JAO, ESO), Y. Ao (National Astronomical Observatory of Japan), J. Di Francesco (National Research Council Herzberg Astronomy & Astrophysics), B. Hatsukade (National Astronomical Observatory of Japan), E. Hatziminaoglou (ESO), J. Mangum (NRAO), Y. Matsuda (National Astronomical Observatory of Japan), E. Van Kampen (ESO), A. Wootten (NRAO), I. De Gregorio-Monsalvo (JAO, ESO), G. Dumas (IRAM), H. Francke (JAO), J. Gallardo (JAO), J. Garcia (JAO), S. Gonzalez (JAO), T. Hill (ESO), D. Iono (National Astronomical Observatory of Japan), T. Kaminski (ESO), A. Karim (Argelander-Institute for Astronomy), M. Krips (IRAM), Y. Kurono (JAO, National Astronomical Observatory of Japan), C. Lonsdale (NRAO), C. Lopez (JAO), F. Morales (JAO), K. Plarre (JAO), L. Videla (JAO), E. Villard (JAO, ESO), J. E. Hibbard (NRAO), K. Tatematsu (National Astronomical Observatory of Japan)

http://arxiv.org/abs/1503.02025

M. Rybak (Max Planck Institute for Astrophysics), J. P. McKean (Netherlands Institute for Radio Astronomy; University of Groningen) S. Vegetti (Max Planck Institute for Astrophysics), P. Andreani (ESO) and S. D. M. White (Max Planck Institute for Astrophysics)

http://arxiv.org/abs/1506.01425

M. Rybak (Max Planck Institute for Astrophysics), S. Vegetti (Max Planck Institute for Astrophysics), J. P. McKean (Netherlands Institute for Radio Astronomy; University of Groningen), P. Andreani (ESO) and S. D. M. White (Max Planck Institute for Astrophysics)

Publicaciones aceptadas para su publicación en la prensa:

http://arxiv.org/abs/1503.07605  [en Publications of the Astronomical Society of Japan]

http://arxiv.org/abs/1505.05148  [en Astrophysical Journal, Letters]

http://arxiv.org/abs/1503.02652  [en Astrophysical Journal, Letters]

http://arxiv.org/abs/1503.02025  [en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society]

Publicaciones ingresadas a arxiv antes de ser aceptadas por la prensa:

http://arxiv.org/abs/1503.08720

http://arxiv.org/abs/1503.05558

http://arxiv.org/abs/1503.07997

http://arxiv.org/abs/1506.01425

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