ALMA y James Webb observan el protocúmulo de galaxias más distante
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ALMA y James Webb observan el protocúmulo de galaxias más distante

20 Septiembre, 2023 / Tiempo de lectura: 10 minutes

Artículo científico

Una colaboración internacional liderada por el profesor asistente Takuya Hashimoto (Universidad de Tsukuba, Japón) y el investigador Javier Álvarez-Márquez (Centro Español de Astrobiología) ha utilizado el Telescopio Espacial James Webb (JWST) y el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) para observar el protocúmulo de galaxias más distante hasta la fecha, a 13,14 mil millones de años luz de distancia1. Esta recóndita observación ha revelado un denso núcleo "metropolitano" de este protocúmulo, lo que indica un crecimiento acelerado de la galaxia. Las simulaciones sugieren que esta región se fusionará en una galaxia masiva y singular en las próximas decenas de millones de años, lo que ofrecerá información sobre el nacimiento y la evolución de galaxias tempranas.

Estudiar cómo nacen y mueren las estrellas individuales en las galaxias, cómo nacen nuevas estrellas a partir de restos de estrellas viejas y cómo crecen las galaxias son temas importantes en astronomía, ya que proporcionan información sobre nuestras raíces en el Universo. Los cúmulos de galaxias, una de las estructuras más importantes del Universo, reúnen más de 100 galaxias unidas entre sí mediante una fuerza gravitacional mutua. Las observaciones de galaxias cercanas han demostrado que el crecimiento de  éstas depende de su entorno, en el sentido de que las poblaciones estelares maduras se ven comúnmente en regiones donde las galaxias están densamente reunidas. Esto se conoce como el "efecto ambiental".

Aunque este efecto ha sido considerado una pieza esencial para comprender la formación y evolución de las galaxias, no se sabe bien cuándo se inició en la historia del Universo. Una de las claves para entenderlo es observar los ancestros de los cúmulos de galaxias poco después del nacimiento del Universo. Conocidos como protocúmulos de galaxias (en adelante protocúmulos), se trata de conjuntos de unas diez galaxias distantes. Afortunadamente, la astronomía nos permite observar el Universo lejano tal como era en el pasado. Por ejemplo, la luz de una galaxia a 13 mil millones de años luz tarda 13 mil millones de años en llegar a la Tierra, por lo que la observamos ahora con el aspecto que tenía  hace 13 mil millones de años. Sin embargo, la luz que viaja 13 mil millones de años luz se vuelve más débil, por lo que los telescopios que la observan deben tener alta sensibilidad y resolución espacial.

El equipo de investigación observó por primera vez la región central de este protocúmulo utilizando JWST. Utilizando NIRSpec, un instrumento que observa espectros en longitudes de onda que van desde el visible hasta el infrarrojo cercano, el equipo realizó observaciones de espectroscopía de campo integral que pueden adquirir simultáneamente espectros de todas las ubicaciones dentro del campo de visión. El equipo ha detectado con éxito luz ionizada de iones de oxígeno ([OIII] 5008 Å) de cuatro galaxias en una región cuadrangular que mide 36.000 años luz de lado, lo que equivale a la mitad del radio de la Vía Láctea. Basándose en el corrimiento al rojo de esta luz (el alargamiento de la longitud de onda debido a la expansión cósmica), la distancia de las cuatro galaxias a la Tierra se identificó en 13,14 mil millones de años luz. "Me sorprendió cuando identificamos cuatro galaxias detectando emisiones de iones de oxígeno a casi la misma distancia. Las 'galaxias candidatas' en la región central eran efectivamente miembros del protocúmulo más distante", dice Yuma Sugahara (Waseda/NAOJ), quien dirigió el análisis de datos de JWST.

Además, el equipo de investigación prestó atención a los datos de archivo de ALMA, que ya habían sido adquiridos para esta región. Los datos capturan las emisiones de radio del polvo cósmico en estas galaxias distantes. Como resultado de los análisis, detectaron emisiones de polvo de tres de las cuatro galaxias. Esta es la primera detección de emisión de polvo en galaxias miembros de un protocúmulo tan atrás en el tiempo. Se cree que el polvo cósmico en las galaxias proviene de explosiones de supernovas al final de la evolución de estrellas masivas en las galaxias, que proporcionan el material para nuevas estrellas. Por tanto, grandes cantidades de polvo en una galaxia indican que muchas de las estrellas de primera generación de la galaxia ya han completado su vida y que la galaxia está creciendo. El profesor Luis Colina, del Centro de Astrobiología (CAB, CSIC-INTA)) describe la importancia de los resultados: "No se detectó emisión de polvo cósmico en galaxias miembros del protocúmulo fuera de la región central. Los resultados indican que muchas galaxias están agrupadas en una región pequeña, y que el crecimiento de las galaxias se acelera, lo que sugiere que los efectos ambientales existieron sólo ~700 millones de años después del Big Bang".

El equipo realizó además  una simulación de formación de galaxias para probar teóricamente cómo se formaron y evolucionaron las cuatro galaxias en la región central. Los resultados mostraron que existía una región de densas partículas de gas alrededor de 680 millones de años después del Big Bang. La investigaciónmuestra que se forman cuatro galaxias, similares a la región central observada. Para seguir la evolución de estas cuatro galaxias, la simulación calculó procesos físicos como la cinemática de las estrellas y del gas, reacciones químicas, formación de estrellas y supernovas. Las simulaciones mostraron que las cuatro galaxias se fusionan y evolucionan hasta convertirse en una única galaxia más grande en unas pocas decenas de millones de años, lo que supone una escala de tiempo corta en la evolución del Universo. "Hemos reproducido con éxito las propiedades de las galaxias en la región central gracias a la alta resolución espacial de nuestras simulaciones y al gran número de muestras de galaxias que tenemos. En el futuro nos gustaría explorar el mecanismo de formación de la región central y sus propiedades dinámicas con más detalle", dice Yurina Nakazato, estudiante de posgrado de la Universidad de Tokio, quien analizó los datos de la simulación.

Javier Álvarez-Márquez, otro miembro delCentro Español de Astrobiología, dice: "Realizaremos observaciones más sensibles del protocúmulo A2744z7p9OD con ALMA para saber si hay galaxias que no eran visibles con la sensibilidad anterior. También aplicaremos las observaciones de JWST y ALMA, que han demostrado ser muy poderosos, a más protocúmulos para dilucidar el mecanismo de crecimiento de las galaxias y explorar nuestras raíces en el Universo".

Información adicional

Estos resultados han sido aceptados para su publicación en The Astrophysical Journal Letters como "Reionización y ISM/Stellar Origins con JWST y ALMA (RIOJA): El núcleo de la sobredensidad de galaxias con mayor corrimiento al rojo confirmado por NIRSpec/JWST" el 30 de agosto de 2023 y será publicado en la revista.

Los miembros del equipo de investigación son Takuya Hashimoto (Universidad de Tsukuba), Javier Álvarez-Márquez (Centro de Astrobiología (CAB), CSIC-INTA), Yoshinobu Fudamoto (Universidad de Chiba), Luis Colina (Centro de Astrobiología (CAB), CSIC-INTA ), Akio K. Inoue (Universidad de Waseda), Yurina Nakazato (Universidad de Tokio), Daniel Ceverino (Universidad Autónoma de Madrid/CIAFF), Naoki Yoshida (Universidad de Tokio, Kavli IPMU), Luca Costantin (Centro de Astrobiología (CAB) , CSIC-INTA), Yuma Sugahara (Universidad de Waseda/NAOJ), Alejandro Crespo Gómez (Centro de Astrobiología (CAB), CSIC-INTA), Carmen Blanco-Prieto (Centro de Astrobiología (CAB), CSIC-INTA), Ken Mawatari (Universidad de Tsukuba), Santiago Arribas (Centro de Astrobiología (CAB), CSIC-INTA), Rui Marques-Chaves (Universidad de Ginebra), Miguel Pereira-Santaella (Instituto de Física Fundamental (IFF), CSIC), Tom J.L.C. Bakx (Universidad Tecnológica de Chalmers), Masato Hagimoto (Universidad de Nagoya), Takeshi Hashigaya (Universidad de Kyoto), Hiroshi Matsuo (NAOJ/SOKENDAI), Yoichi Tamura (Universidad de Nagoya), Mitsutaka Usui (Universidad de Tsukuba), Yi W. Ren ( Universidad de Waseda).

Este texto está basado en el comunicado de prensa original, en inglés, del Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ), socio de ALMA en representación de Asia del Este.

El Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), una instalación astronómica internacional, es una asociación de ESO, la Fundación Nacional de Ciencias de EE.UU. (NSF) y los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales (NINS) de Japón en cooperación con la República de Chile. ALMA está financiado por ESO en nombre de sus Estados miembros, por NSF en cooperación con el Consejo Nacional de Investigación de Canadá (NRC) y el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (NSTC) en Taiwán y por NINS en cooperación con la Academia Sinica (AS) de Taiwán y el Instituto de Astronomía y Ciencias Espaciales de Corea (KASI). 

La construcción y las operaciones de ALMA están lideradas por ESO en nombre de sus Estados miembros, por el Observatorio Nacional de Radioastronomía (NRAO), administrado por Associated Universities, Inc. (AUI) en nombre de América del Norte, y por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) en nombre de Asia Oriental. El Joint ALMA Observatory (JAO) proporciona el liderazgo unificado y la gestión de la construcción, puesta en marcha y operación de ALMA.

Imágenes

Impresión artística del "área metropolitana" del protocúmulo A2744ODz7p9 revelada por el Telescopio Espacial James Webb y ALMA. Crédito: NAOJ
Impresión artística del "área metropolitana" del protocúmulo A2744ODz7p9 revelada por el Telescopio Espacial James Webb y ALMA. Crédito: NAOJ
Impresión artística de lo que será el "área metropolitana" decenas de millones de años después del tiempo observado. Crédito: NAOJ
Impresión artística de lo que será el "área metropolitana" decenas de millones de años después del tiempo observado. Crédito: NAOJ
La imagen en color de fondo muestra un mapa de la intensidad de la luz (el color más rojo muestra una emisión más fuerte) en la región central del cúmulo protogaláctico A2744ODz7p9, adquirido con la NIRCam a bordo del JWST. El tamaño de la imagen corresponde aproximadamente a la mitad del radio de la Vía Láctea. (Izquierda) Los contornos muestran la distribución de la luz emitida por el oxígeno ionizado, obtenida con el instrumento NIRSpec a bordo del JWST. Se identificaron 4 galaxias a 13,14 mil millones de años luz de distancia. (Derecha) Los contornos muestran la distribución de la emisión de polvo de tres de las cuatro galaxias. El círculo blanco en la parte inferior izquierda de la figura indica el tamaño del haz de los datos de ALMA. Crédito: JWST (NASA, ESA, CSA), ALMA (ESO/NOAJ/NRAO), T. Hashimoto et al.
La imagen en color de fondo muestra un mapa de la intensidad de la luz (el color más rojo muestra una emisión más fuerte) en la región central del cúmulo protogaláctico A2744ODz7p9, adquirido con la NIRCam a bordo del JWST. El tamaño de la imagen corresponde aproximadamente a la mitad del radio de la Vía Láctea. (Izquierda) Los contornos muestran la distribución de la luz emitida por el oxígeno ionizado, obtenida con el instrumento NIRSpec a bordo del JWST. Se identificaron 4 galaxias a 13,14 mil millones de años luz de distancia. (Derecha) Los contornos muestran la distribución de la emisión de polvo de tres de las cuatro galaxias. El círculo blanco en la parte inferior izquierda de la figura indica el tamaño del haz de los datos de ALMA. Crédito: JWST (NASA, ESA, CSA), ALMA (ESO/NOAJ/NRAO), T. Hashimoto et al.
Simulaciones de formación de galaxias del futuro del núcleo de A2744z7p9OD. (a) Densidad del gas en una región similar al protocúmulo A2744z7p9OD en una edad cosmológica de 689 millones de años. (b) Una vista ampliada de la región central en (a) correspondiente a la región observada por JWST. El mapa de colores indica la distribución luminosa de los iones de oxígeno. (b) a (d) muestran la evolución del objeto simulado: las cuatro galaxias se fusionan gradualmente y evolucionan hasta convertirse en una entidad más grande. Crédito: T. Hashimoto et al.
Simulaciones de formación de galaxias del futuro del núcleo de A2744z7p9OD. (a) Densidad del gas en una región similar al protocúmulo A2744z7p9OD en una edad cosmológica de 689 millones de años. (b) Una vista ampliada de la región central en (a) correspondiente a la región observada por JWST. El mapa de colores indica la distribución luminosa de los iones de oxígeno. (b) a (d) muestran la evolución del objeto simulado: las cuatro galaxias se fusionan gradualmente y evolucionan hasta convertirse en una entidad más grande. Crédito: T. Hashimoto et al.

Notas

  1. El corrimiento al rojo de este objeto fue z = 7,88. En base a esto, calcular la distancia utilizando los últimos parámetros cosmológicos (H0 = 67,7 km/s/Mpc, Ωm = 0,3111, ΩΛ = 0,6899) arroja 13,14 mil millones de años luz. La distancia para A2744z7p9OD fue determinada por primera vez por el equipo de Takahiro Morishita (Instituto de Tecnología de California). ↩︎

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