ALMA retira el velo de los viveros ocultos de cúmulos estelares masivos en galaxias cercanas

ALMA y el VLA de la NSF revelan “fábricas de anillos” circunnucleares donde se forman y evolucionan cúmulos estelares masivos en galaxias cercanas

Aspectos destacados

• ALMA reveló una población de candidatas y candidatos a cúmulos estelares masivos jóvenes ocultos dentro de densos anillos de formación estelar que rodean los centros de dos galaxias espirales cercanas.

• Al rastrear tanto el polvo frío como el gas ionizado, ALMA ayudó a las y los astrónomos a distinguir candidatas y candidatos a cúmulos en distintas etapas de su evolución temprana.

• El estudio proporciona una de las visiones más detalladas hasta la fecha de la formación de cúmulos estelares masivos en anillos circunnucleares.

• Galaxias cercanas como NGC 3351 y NGC 1097 ofrecen una oportunidad única para estudiar procesos de formación estelar similares a los que eran comunes en las galaxias hace miles de millones de años.

Astrónomas y astrónomos utilizaron el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) y el Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) de la Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos (NSF) para atravesar densas cortinas de polvo cósmico y obtener una de las imágenes más claras hasta ahora de cómo nacen los cúmulos estelares masivos en los corazones de galaxias cercanas. Centrándose en dos galaxias espirales barradas, NGC 3351 y NGC 1097, el equipo identificó candidatas y candidatos a cúmulos estelares masivos jóvenes en distintas etapas de su evolución temprana, desde objetos profundamente embebidos y ocultos por el polvo hasta sistemas que ya han comenzado a despejar su entorno, revelando estructuras que los telescopios ópticos, e incluso muchas observaciones infrarrojas, no pueden detectar.

En muchas galaxias espirales, el gas que fluye hacia el centro a lo largo de una barra galáctica se acumula en un anillo denso de formación estelar situado a unos cientos o miles de años luz del núcleo galáctico, actuando como una auténtica fábrica cósmica de cúmulos estelares masivos. En NGC 3351 y NGC 1097, estos anillos circunnucleares comprimen el gas en estructuras compactas de alta presión y desencadenan episodios de formación estelar con tasas y densidades similares a las observadas en galaxias típicas cuando el Universo tenía apenas unos pocos miles de millones de años, convirtiéndolos en laboratorios cercanos del cosmos temprano. Combinando la sensibilidad de ALMA al polvo frío y a la formación estelar oculta con observaciones complementarias del VLA, el equipo estudió el anillo de NGC 3351 en frecuencias comprendidas entre 93 y 350 gigahercios, además de observaciones del VLA a 33 gigahercios, y observó el anillo más grande y activo de NGC 1097 utilizando únicamente ALMA en tres bandas de frecuencia complementarias. Estas observaciones permitieron identificar decenas de puntos compactos asociados a la formación de cúmulos estelares.

Los distintos tipos de emisión en radio revelan diferentes capítulos de la historia de un cúmulo. Las señales provenientes del hidrógeno ionizado trazan el resplandor energético que rodea a las estrellas jóvenes más calientes. Otras señales de radio son producidas por partículas de alta energía aceleradas por explosiones de supernova. Otras, en tanto, permiten rastrear el polvo frío presente en la nube donde nacen las estrellas. Al medir cuidadosamente cómo cada fuente compacta aumenta o disminuye su brillo a lo largo del espectro radioeléctrico —y al exigir que las fuentes reales aparezcan simultáneamente en más de una banda de radio y en la misma posición del cielo— las y los investigadores lograron detectar objetos más débiles que en estudios anteriores, manteniendo al mismo tiempo un estricto control sobre el ruido observacional. En ambas galaxias, las fuentes compactas se distribuyen a lo largo de los anillos en forma de brillantes concentraciones, presentan tamaños que van desde unos pocos hasta varias decenas de años luz y muestran una potencia energética equivalente a la de unas pocas o más de mil de las estrellas más masivas conocidas, identificando una población que incluye numerosas candidatas y candidatos a cúmulos estelares masivos jóvenes.

Gracias a que los datos de radio permiten separar estos distintos tipos de emisión, el equipo pudo asignar cada fuente a una etapa específica de la vida temprana de un cúmulo. Los conglomerados brillantes en polvo pero débiles en radio representan las etapas observables más tempranas de la formación de cúmulos. Aquellos que combinan una intensa emisión de gas ionizado y polvo, pero muestran poca evidencia de actividad asociada a supernovas, parecen ser extremadamente jóvenes y permanecer aún enterrados en su material natal. Las fuentes con fuerte emisión de gas ionizado pero poco polvo probablemente albergan cúmulos que ya han expulsado gran parte de la nube donde se formaron. Finalmente, las fuentes dominadas por señales relacionadas con supernovas indican cúmulos donde las estrellas más masivas ya han explotado. Todas estas etapas evolutivas coexisten dentro de un mismo anillo en ambas galaxias, confirmando que la formación de cúmulos masivos es un proceso continuo y permanente, más que un único episodio sincronizado.

El equipo también comparó las fuentes identificadas en radio con imágenes de alta resolución obtenidas por el Telescopio Espacial James Webb (JWST) de la NASA, la ESA y la CSA, confirmando que estas fuentes compactas corresponden efectivamente a cúmulos estelares y a sus entornos inmediatos. La fuente más luminosa de toda la muestra, ubicada en el anillo de NGC 1097, posee una potencia ionizante equivalente a la de aproximadamente 1.200 estrellas masivas de tipo O y figura entre las regiones compactas de formación estelar más potentes identificadas fuera del núcleo de una galaxia en estallido de formación estelar.

Las condiciones presentes en estos anillos —grandes cantidades de gas, intensa turbulencia y entornos de formación estelar altamente concentrados— se asemejan notablemente a las que predominaban en las galaxias masivas durante el período de máxima actividad de formación estelar en la historia del Universo. Gracias al uso combinado de ALMA y el VLA a través de un amplio rango de frecuencias de radio, las y los astrónomos pueden ahora estudiar candidatas y candidatos a cúmulos estelares masivos jóvenes que representan distintas etapas de evolución dentro de un mismo anillo galáctico, proporcionando pruebas fundamentales para las teorías que buscan explicar cuán rápido se ensamblan los cúmulos, con qué eficiencia convierten gas en estrellas y cómo la retroalimentación estelar moldea los entornos de formación estelar más densos tanto en galaxias cercanas como distantes.

Informacion adicional

Esta investigación se presenta en el artículo "A Multi-Band Radio Continuum Search for Young Massive Clusters in the Circumnuclear Rings of NGC 3351 and NGC 1097"[Búsqueda de cúmulos masivos jóvenes en el continuo de radio multibanda en los anillos circunnucleares de NGC 3351 y NGC 1097], de Sajia Shahrin Neha et al., aceptado para su publicación en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Esta noticia se presentó en una conferencia de prensa durante la 248.ª reunión de la Sociedad Astronómica Estadounidense (AAS), el miércoles 17 de junio a las 10:15 a. m. PDT. Puede encontrar la grabación de esta presentación en el canal de YouTube de la Oficina de Prensa de la AAS.

Este artículo se basa en el comunicado de prensa original del Observatorio Nacional de Radioastronomía de los Estados Unidos (NRAO), socio de ALMA en representación de Norteamérica.

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 (NSTC), 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.

Imagen