ALMA observa oxígeno a mayor distancia a la fecha

16 junio, 2016

Gracias al Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), un equipo de astrónomos detectó una clara señal emitida por moléculas de oxígeno presentes en una galaxia situada a 13.100 millones de años luz de nosotros. Se trata de las moléculas de oxígeno más distantes que se han detectado a la fecha. El oxígeno de esta galaxia parece ser ionizado por una serie de jóvenes estrellas gigantes, y este hallazgo constituye un paso clave para entender la enigmática reionización cósmica ocurrida cuando el Universo era joven. Estas observaciones han allanado un nuevo camino para estudiar el Universo joven con ALMA.

El equipo de investigación, integrado por científicos de Japón, Suecia, Reino Unido y la ESO, usó ALMA para observar una de las galaxias más distantes que conocemos. SXDF-NB1006-2 tiene un desplazamiento al rojo de 7,2, lo cual significa que la vemos tal como era cuando habían transcurrido apenas 700 millones de años desde el Big Bang.

Los astrónomos buscaban datos sobre los elementos químicos pesados 1 de la galaxia para estudiar su nivel de formación estelar y así saber más sobre el período del Universo conocido como reionización cósmica.

“La búsqueda de elementos pesados en el Universo joven es fundamental para estudiar la actividad de formación estelar durante ese período”, explica Akio Inoue, de la Universidad Osaka Sangyo (Japón), autor principal de un artículo que se publicará en la revista Science el jueves 16 de junio de 2016, quien agrega: “El estudio de los elementos pesados también nos da una pista para entender cómo las galaxias se formaron y qué provocó la reionización cósmica”.

Actualmente hay numerosos elementos en el Universo, pero justo después del Big Bang, hace 13.800 millones de años, había solo los más livianos (hidrógeno, helio y litio). Los elementos más pesados como el carbono y el oxígeno fueron formándose en las estrellas y acumulándose en el Universo con el tiempo.

Antes de que se formaran los primeros astros, el Universo estaba lleno de gas eléctricamente neutro. Los cuerpos celestes emitían una intensa radiación y comenzaron a ionizar el gas neutro unos cientos de millones de años después del Big Bang. Es el fenómeno que se conoce como reionización cósmica. Aunque todo el Universo experimentó un cambio drástico durante dicho período, poco se sabe sobre el proceso, y los científicos siguen debatiendo sobre qué tipo de cuerpos provocaron la reionización.


Figura 1. Diagrama de la historia del Universo. El Universo se encuentra en un estado neutro 400.000 años después del Big Bang, y la luz de la primera generación de estrellas empieza a ionizar el hidrógeno. Tras varios cientos de millones de años, el gas del Universo se encuentra totalmente ionizado. Créditos: NAOJ | Descargar imagen

“Esperábamos que la luz del oxígeno ionizado fuera lo suficientemente intensa para ser observada, incluso a 13.000 millones de años luz de distancia —señala Hiroshi Matsuo, del NAOJ— porque el satélite astronómico infrarrojo japonés AKARI reveló que esta emisión es muy brillante en la Gran Nube de Magallanes, donde las condiciones ambientales son similares a las del Universo joven”.

Sin embargo, la detección de luz emitida por el oxígeno ionizado en galaxias muy distantes resultó ser todo un desafío para ALMA. Para poder obtener tiempo de observación en ALMA, los investigadores primero llevaron a cabo extensas simulaciones informáticas de la evolución cósmica con el fin de predecir la intensidad del brillo de las emisiones. “La simulación reveló que la luz debía de ser particularmente brillante y fácil de detectar con ALMA”, afirma Ikkoh Shimizu, de la Universidad de Osaka, quien fue el principal colaborador en esta simulación.


Figura 2. Imagen compuesta de una porción del área Subaru XMM-Newton Deep Survey Field. Recuadro a la derecha: la galaxia roja en el centro de la imagen es la galaxia más distante, SXDF-NB1006-2. Recuadros a la izquierda: acercamientos de la galaxia más distante. Créditos: NAOJ | Descargar imagen

En junio de 2015 se llevaron a cabo las observaciones de alta sensibilidad con ALMA que permitieron detectar la luz del oxígeno ionizado de SXDF-NB1006-2 2. Esta es la emisión de oxígeno más distante que se ha detectado a la fecha y constituye una prueba fehaciente de la presencia de oxígeno en las primeras etapas del Universo joven, cuando habían transcurrido tan solo 700 millones de años desde el Big Bang. El equipo calcula que la cantidad de oxígeno presente en SXDF-NB1006-2 es diez veces inferior a la que se observa en el Sol.


Figura 3. Imagen compuesta de SXDF-NB1006-2. La luz del oxígeno ionizado detectada por ALMA se muestra en verde. La luz del hidrógeno ionizado detectada por el telescopio Subaru y la luz ultravioleta detectada por el telescopio infrarrojo de Reino Unido (UKIRT) se muestran en azul y rojo, respectivamente. Créditos: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), NAOJ | Descargar imagen

“Esta cantidad tan pequeña era de esperar, puesto que el Universo aún era muy joven y por ese entonces todavía no se habían formado muchas estrellas”, comenta Naoki Yoshida, de la Universidad de Tokio. “De hecho, nuestra simulación había predicho una concentración diez veces inferior a la del Sol, pero también obtuvimos un resultado inesperado: una cantidad ínfima de polvo”.

Las observaciones muestran que hay aproximadamente un 10 % de los elementos pesados presentes en el Universo, pero que la cantidad de polvo —conformado precisamente por elementos pesados— parece ser mucho menor. Además, el equipo no logró detectar emisiones de carbono en la galaxia. “Puede haber algo inusual en esta galaxia”, plantea Inoue. “Sospecho que casi todo el gas está muy ionizado”.


Figura 4. Representación artística de SXDF-NB1006-2. Muchas estrellas jóvenes y brillantes de la galaxia ionizan el gas presente dentro y alrededor de ella. Las zonas verdes representan el oxígeno ionizado detectado por ALMA, mientras que las áreas moradas corresponden a la distribución del hidrógeno ionizado detectada por el telescopio Subaru. Créditos: NAOJ | Descargar imagen

Las emisiones del oxígeno ionizado indican que varias estrellas gigantes, docenas de veces más masivas que el Sol, se formaron en la galaxia y están emitiendo una intensa luz ultravioleta. La escasez de polvo y carbono en la galaxia es un factor crucial para que ocurra la reionización cósmica, puesto que permite a la intensa luz ionizante salir de la galaxia e ionizar grandes cantidades de gas fuera de ella. “SXDF-NB1006-2 puede ser un prototipo de las fuentes de luz responsables de la reionización cósmica”, explica Inoue.

“Este es el primer paso para entender qué tipo de objeto provocó la reionización cósmica”, afirma Yoichi Tamura, de la Universidad de Tokio. “Ya hemos empezado nuevas observaciones con ALMA: observaciones a mayor resolución que nos permitirán ver la distribución y el movimiento del oxígeno ionizado en la galaxia y proporcionarán datos valiosos que nos ayudarán a entender las propiedades de la galaxia”.

Información adicional

Los resultados de este estudio se publicaron en el artículo de Inoue et al. titulado “Detection of an oxygen emission line from a high redshift galaxy in the reionization epoch” (‘Detección de una línea de oxígeno emitida por una galaxia de alto corrimiento al rojo en el período de reionización’) en la revista Science el jueves 16 de junio de 2016.

Los miembros del equipo de investigación son:

Akio Inoue (Universidad Osaka Sangyo), Yoichi Tamura (Universidad de Tokio), Hiroshi Matsuo (NAOJ/Universidad de Posgrado en Estudios Avanzados), Ken Mawatari (Universidad Osaka Sangyo), Ikkoh Shimizu (Universidad de Osaka), Takatoshi Shibuya (Universidad de Tokio), Kazuaki Ota (Universidad de Cambridge), Naoki Yoshida (Universidad de Tokio), Erik Zackrisson (Universidad de Uppsala), Nobunari Kashikawa (NAOJ/Universidad de Posgrado en Estudios Avanzados), Kotaro Kohno (Universidad de Tokio), Hideki Umehata (Organización Europea para la Investigación Astronómica en el Hemisferio Austral/Universidad de Tokio), Bunyo Hatsukade (NAOJ), Masanori Iye (NAOJ), Yuichi Matsuda (NAOJ/Universidad de Posgrado en Estudios Avanzados), Takashi Okamoto (Universidad de Hokkaido), Yuki Yamaguchi (Universidad de Tokio).

Este estudio fue financiado por la Sociedad Japonesa para el Fomento de la Ciencia a través de los fondos de investigación científica n.º 26247022, 25287050, 24740112, 15H02073, 15K17616 y su Beca de Investigación para Jóvenes Científicos; el Programa Global de Centros de Excelencia (GCOE) “Nueva Generación de la Física, Emanada de la Universalidad y la Emergencia” del Ministerio de Educación, Cultura, Deportes, Ciencia y Tecnología de Japón; la Beca Instituto Kavli del Instituto Kavli de Cosmología de la Universidad de Cambridge, financiada por la Fundación Kavli; el Consejo de Investigación de Suecia (proyecto n.º 2011-5349); y la Fundación Wenner-Gren.

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. En astronomía, los elementos más pesados que el litio se conocen como elementos pesados.
  2. La longitud de onda original de la luz emitida por oxígeno doblemente ionizado es de 88 micrómetros. La longitud de onda de la luz emitida por SXDF-NB1006-2 ha sido estirada a 725 micrómetros por la expansión del Universo, lo cual ha permitido observarla con los receptores de Banda 8 de ALMA desarrollados por el NAOJ.