ALMA observa, por primera vez, cómo se forman las galaxias en el Universo temprano

22 julio, 2015

El Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) se ha utilizado para detectar las nubes de gas con formación estelar más distantes encontradas hasta ahora en galaxias normales del Universo temprano. Las nuevas observaciones permiten a los astrónomos empezar a ver cómo se construyeron las primeras galaxias y cómo despejaron la niebla cósmica en la época de reionización. Esta es la primera vez que pueden verse este tipo de galaxias como algo más que manchas difusas.

Cuando las primeras galaxias se empezaron a formar, unos cuantos cientos de años después del Big Bang, el Universo estaba poblado por una niebla de gas de hidrógeno. A medida que empezaron a aparecer y a aumentar las fuentes brillantes -tanto estrellas como cuásares alimentados por enormes agujeros negros- éstas despejaron la niebla e hicieron el Universo transparente a la luz ultravioleta [1]. Los astrónomos llaman a esto la época de reionización, pero poco se sabe sobre estas primeras galaxias y, hasta ahora, sólo se han visto como manchas muy tenues. Sin embargo, gracias a nuevas observaciones que utilizan las capacidades de ALMA, esto está empezando a cambiar.

ALMA observa cómo se forman las galaxias en el Universo temprano

 

Un equipo de astrónomos, liderado por Roberto Maiolino (Laboratorio Cavendish e Instituto Kavli de Cosmología, Universidad de Cambridge, Reino Unido), observó con ALMA unas galaxias que habían sido vistas tan solo unos 800 millones de años después del Big Bang [2]. Los astrónomos no buscaban la luz de las estrellas, sino el débil resplandor del carbono ionizado [3] procedente de las nubes de gas a partir de las cuales se formaron las estrellas. Querían estudiar la interacción entre una generación joven de estrellas y los fríos grumos que se estaban uniendo en el interior de estas primeras galaxias.

Tampoco buscaban esos escasos objetos extremadamente brillantes -tales como cuásares o galaxias con tasas muy altas de formación estelar- que ya habían sido observados. En su lugar, se concentraron en buscar galaxias algo menos llamativas y mucho más comunes: galaxias que reionizaron el Universo y llegaron a convertirse en la mayoría de las galaxias que vemos actualmente a nuestro alrededor.

ALMA consiguió captar una señal tenue, pero clara, de carbono (que brillaba intensamente) de una de las galaxias, llamada BDF2399. Sin embargo, este resplandor no provenía del centro de la galaxia, sino más bien de uno de sus lados.

El coautor, Andrea Ferrara (Escuela Normal Superior, Pisa, Italia) explica el significado de los nuevos descubrimientos: «Se trata de la detección más distante hecha hasta ahora de este tipo de emisión de una galaxia ‘normal’, vista menos de mil millones de años después del Big Bang. Nos da la oportunidad de ver la acumulación de las primeras galaxias. Por primera vez estamos viendo galaxias tempranas, no sólo como pequeñas manchas, ¡sino como objetos con estructura interna!».

Los astrónomos piensan que el motivo por el cual el brillo no está en el centro de la galaxia puede deberse a que las nubes centrales están siendo perturbadas por el entorno hostil creado por las estrellas recién formadas (tanto por su intensa radiación como por los efectos de explosiones de supernova), mientras que el resplandor del carbono es el trazador de gas frío que está siendo acretado desde el medio intergaláctico.

Combinando las nuevas observaciones de ALMA con simulaciones computacionales, ha sido posible comprender en detalle los procesos clave que tienen lugar dentro de las primeras galaxias. Los efectos de la radiación de las estrellas, la supervivencia de nubes moleculares, el escape de las radiaciones ionizantes y la compleja estructura del medio interestelar ahora pueden calcularse y compararse con la observación. Se cree que BDF2399 puede ser un ejemplo típico de las galaxias responsables de la reionización.

«Hemos estado intentando entender el medio interestelar y la formación de las fuentes de reionización durante muchos años. Finalmente, es muy emocionante ser capaces de probar las predicciones y las hipótesis con datos reales de ALMA y abrir así un nuevo conjunto de preguntas. Este tipo de observaciones nos permitirán aclarar muchos de los controvertidas problemas que tenemos con la formación de las primeras estrellas y galaxias en el Universo», añade Andrea Ferrara.

Roberto Maiolino concluye: «sin ALMA, este estudio habría sido sencillamente imposible, ya que ningún otro instrumento puede alcanzar la sensibilidad y la resolución espacial necesarias. Aunque esta es una de las observaciones más profundas de ALMA hasta el momento, aún está lejos de alcanzar su capacidad máxima. En el futuro, ALMA obtendrá imágenes de la estructura fina de las galaxias primordiales y trazará en detalle la formación de las primeras galaxias».

Notas

[1] El hidrógeno neutro absorbe muy eficientemente toda la luz ultravioleta de alta energía emitida por estrellas calientes jóvenes. En consecuencia, estas estrellas son casi imposibles de observar en el Universo temprano. Al mismo tiempo, la luz ultravioleta absorbida ioniza el hidrógeno, haciéndolo totalmente transparente. Las estrellas calientes están, por lo tanto, creando burbujas transparentes en el gas. Una vez que estas burbujas se fusionan y llenan todo espacio, la reionización se ha completado y el Universo se vuelve transparente.

[2] Tenían desplazamientos al rojo de 6,8 a 7,1.

[3] Los astrónomos están especialmente interesados en el carbono ionizado, ya que esta línea espectral se lleva la mayor parte de la energía inyectada por las estrellas y permite a los astrónomos trazar el gas frío a partir del cual se forman las estrellas. En concreto, el equipo buscaba la emisión de carbono ionizado individualmente (conocido como [C II]). Esta radiación se emite en una longitud de onda de 158 micrómetros y tras estirarse por la expansión del Universo llega a ALMA exactamente en la longitud de onda adecuada para que pueda ser detectada: unos 1,3 milímetros.

Información adicional

Este trabajo de investigación fue presentado en el artículo científico «The assembly of «normal» galaxies at z∼7 probed by ALMA», por R. Maiolino et al., que aparece en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society del 22 de julio de 2015.

El equipo está formado por R. Maiolino (Laboratorio Cavendish, Universidad de Cambridge, Reino Unido; Instituto Kavli de Cosmología, Universidad de Cambridge, Reino Unido); S. Carniani (Laboratorio Cavendish; Instituto Kavli de Cosmología; Universidad de Florencia, Italia); A. Fontana (INAF–Observatorio Astronómico de Roma, Italia); L. Vallini (Escuela Normal Superior, Pisa, Italia; Universidad de Bolonia, Italia); L. Pentericci (INAF–Observatorio Astronómico de Roma, Italia); A. Ferrara (Escuela Normal Superior, Pisa, Italia); E. Vanzella (INAF–Observatorio Astronómico de Bolonia, Italia); A. Grazian (INAF–Observatorio Astronómico de Roma, Italia); S. Gallerani (Escuela Normal Superior, Pisa, Italia); M. Castellano (INAF–Observatorio Astronómico de Roma, Italia); S. Cristiani (INAF–Observatorio Astronómico de Trieste, Italia); G. Brammer (Instituto de ciencias del Telescopio Espacial, Baltimore, Maryland, EE.UU.); P. Santini (INAF–Observatorio Astronómico de Roma, Italia); J. Wagg (Organización SKA –Square Kilometre Array-, Observatorio Jodrell Bank, Reino Unido) y R. Williams (Laboratorio Cavendish; Instituto Kavli de Cosmología).

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.

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