Fuertes vientos inhiben nacimiento de estrellas en galaxia lejana

6 septiembre, 2018

Artículo Científico

Gracias al Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), y con la ayuda de un lente gravitacional, un equipo de astrónomos detectó el “viento” galáctico molecular más distante observado a la fecha, correspondiente a una época en que el Universo tenía solo 1.000 millones de años. Al observar el flujo de moléculas de hidroxilo (OH) –que delatan la presencia de gas incubador de estrellas en las galaxias–, los investigadores revelaron cómo algunas galaxias del Universo primitivo inhiben un frenesí de nacimiento estelar.

Algunas galaxias, como la Vía Láctea y Andrómeda, fabrican estrellas a un ritmo relativamente lento y constante, a razón de una estrella por año, aproximadamente. Las galaxias con brotes de formación estelar, en tanto, pueden producir cientos o incluso miles de estrellas por año. Sin embargo, no son capaces de mantener ese ritmo ad eternum.

Para evitar consumirse rápidamente en una llamarada espectacular, algunas galaxias ponen frenos al proceso de formación estelar eyectando, al menos en forma temporal, grandes cantidades de gas hacia sus halos en expansión, donde el gas se dispersa por completo o bien vuelve a fluir lentamente hacia la galaxia para volver a alimentar nuevos brotes de formación estelar.

ALMA, ayudado por una lente gravitacional, visualizó el flujo de salida, o "viento", de una galaxia que se ve cuando el Universo tenía solo mil millones de años. La imagen de ALMA (en el círculo) muestra las moléculas de hidroxilo (OH). Estas moléculas trazan la ubicación del gas formador de estrellas mientras es expulsado de la galaxia, impulsado por una supernova o por el 'viento' de un agujero negro. El campo de estrellas de fondo (Búsqueda de Energía Oscura del Telescopio Blanco) muestra la ubicación de la galaxia. La forma circular de doble lóbulo de la galaxia distante se debe a la distorsión causada por el efecto de aumento cósmico de una galaxia interpuesta. Crédito: ALMA (ESO / NAOJ / NRAO), Spilker; NRAO / AUI / NSF, S. Dagnello; AURA / NSF

ALMA, ayudado por una lente gravitacional, visualizó el flujo de salida, o «viento», de una galaxia que se ve cuando el Universo tenía solo mil millones de años. La imagen de ALMA (en el círculo) muestra las moléculas de hidroxilo (OH). Estas moléculas trazan la ubicación del gas formador de estrellas mientras es expulsado de la galaxia, impulsado por una supernova o por el ‘viento’ de un agujero negro. El campo de estrellas de fondo (Búsqueda de Energía Oscura del Telescopio Blanco) muestra la ubicación de la galaxia. La forma circular de doble lóbulo de la galaxia distante se debe a la distorsión causada por el efecto de aumento cósmico de una galaxia interpuesta. Crédito: ALMA (ESO / NAOJ / NRAO), Spilker; NRAO / AUI / NSF, S. Dagnello; AURA / NSF

Sin embargo, hasta ahora los astrónomos habían sido incapaces de observar directamente estos intensos chorros en los comienzos del Universo primitivo, donde estos mecanismos son fundamentales para evitar que las galaxias crezcan demasiado rápido y en exceso.

Las nuevas observaciones realizadas con ALMA muestran, por primera vez, un fuerte “viento” de moléculas en una galaxia observada en un período en que el Universo tenía solo 1.000 millones de años. Este hallazgo aporta información nueva sobre cómo algunas galaxias del Universo primitivo autorregularon su crecimiento para continuar fabricando estrellas posteriormente

“Las galaxias son monstruos complicados y caóticos, y creemos que estos chorros y vientos son elementos fundamentales de sus procesos de formación y evolución que regulan su capacidad para crecer”, afirma Justin Spilker, astrónomo de la Universidad de Texas, en Austin, y autor principal de un artículo publicado en la revista Science.

Los astrónomos observaron vientos con el mismo tamaño, velocidad y masa en galaxias cercanas con brotes de formación estelar, pero el chorro observado con ALMA el más distante que se haya observado a la fecha con tamaña claridad en el Universo primitivo.

La galaxia, conocida como SPT2319-55, está a más de 12.000 millones de años luz de nosotros, y fue descubierta por el Telescopio del Polo Sur, de la Fundación Nacional de Ciencia de Estados Unidos.

Interpretación artística de un flujo expulsado de gas molecular de una galaxia incubadora de estrellas. Crédito: NRAO / AUI / NSF, D. Berry

Interpretación artística de un flujo expulsado de gas molecular de una galaxia incubadora de estrellas. Crédito: NRAO / AUI / NSF, D. Berry

ALMA pudo observar un objeto tan distante gracias al lente gravitacional provocado por otra galaxia situada casi en pleno eje de visión entre la Tierra y SPT2319-55. El lente gravitacional (donde la luz es doblada por la gravedad) amplifica la luz de la galaxia de fondo y hace que se vea más brillante. Esto permite a los astrónomos observarla con más detalle de lo que podrían normalmente. Los astrónomos usan programas informáticos especiales para “deshacer” el efecto del lente gravitacional y reconstituir con precisión la imagen del objeto más distante.

La visión amplificada por el lente gravitacional reveló un fuerte “viento” de gas incubador de estrellas saliendo de la galaxia a casi 800 kilómetros por segundo. No se trata de una brisa suave y constante, sino de erupciones aisladas que expulsan gas a la misma velocidad a la que este se transformaría en nuevas estrellas.

La existencia del chorro fue delatada por la radiación emitida en longitudes de onda milimétricas por una molécula llamada hidroxilo (OH), vista como una línea de absorción, es decir, la sombra de una señal de OH en la brillante luz infrarroja de la galaxia.

A medida que se forman nuevas estrellas, el polvo que las rodea emite un intenso brillo infrarrojo. Sin embargo, la galaxia también genera viento que, en parte, sopla en nuestra dirección. Cuando la luz infrarroja pasa por el viento en su camino hacia la Tierra, las moléculas de OH absorben parte de la luz infrarroja a una longitud de onda bien específica que ALMA puede observar.

“Esa es la absorción característica que detectamos, y a partir de ahí también podemos determinar la velocidad del viento y hacernos una idea aproximada de la cantidad de material contenido en el chorro”, explica Spilker. ALMA es capaz de detectar esta luz infrarroja debido a que, a causa de la expansión del Universo, esta se estira y alcanza longitudes de onda milimétricas antes de llegar a la Tierra.

Según los investigadores, los vientos moleculares son un mecanismo eficiente que tienen las galaxias para autorregular su crecimiento. Estos vientos probablemente son el resultado del efecto de todas las supernovas que explotan en lugares donde hay mucha actividad de formación estelar, o bien de la gran cantidad de energía que se libera cuando parte del gas de la galaxia fluye hacia el agujero negro supermasivo presente en su centro.

“Por ahora hemos observado solo una galaxia a tamaña distancia cósmica, y nos gustaría saber si también hay este tipo de vientos en otras galaxias para entender qué comunes son”, concluye Spilker. “Si se generan prácticamente en todas las galaxias, sabremos que estos vientos moleculares son una forma común de autorregulación del crecimiento de las galaxias”.

«Esta observación de ALMA demuestra cómo la naturaleza junto con una tecnología fántastica nos pueden dar información sobre objetos astronómicos distantes», dijo Joe Pesce, Director del Programa NSF para NRAO / ALMA, «y el rango de frecuencia de ALMA permitió detectar el desplazamiento hacia el rojo espectral característico de esta importante molécula».

Información adicional

Los resultados de la investigación se recogen en un artículo titulado “Fast Molecular Outflow from a Dusty Star-Forming Galaxy in the Early Universe” (‘Rápido chorro molecular saliendo de polvorienta galaxia incubadora de estrellas en el Universo primitivo’), de J. S. Spilker et al., publicado en la revista Science. [http://www.science.org]

El equipo de investigación estuvo integrado por J. S. Spilker [1,2,∗],M. Aravena [3], M. Béthermin [4], S. C. Chapman [5], C.-C. Chen [6], D. J. M. Cunningham [5,7], C. De Breuck [6], C. Dong [8], A. H. Gonzalez [8], C. C. Hayward [9,10], Y. D. Hezaveh [11], K. C. Litke [2], J. Ma [12], M. Malkan [13], D. P. Marrone [2], T. B. Miller [5,14], W. R. Morningstar [11], D. Narayanan [8], K. A. Phadke [15], J. Sreevani [15], A. A. Stark [10], J. D. Vieira [15] y A. Weiß [16].

[1] Departamento de Astronomía, Universidad de Texas en Austin, 2515 Speedway Stop C1400, Austin, TX 78712, Estados Unidos.

[2] Observatorio Steward, Universidad de Arizona, 933 North Cherry Avenue, Tucson, AZ 85721, Estados Unidos.

[3] Núcleo de Astronomía, Facultad de Ingeniería, Universidad Diego Portales, Santiago, Av. Ejército 441, Santiago, Chile.

[4] Universidad Aix-Marseille, Centro Nacional de Investigación Científica, Laboratorio de Astrofísica de Marsella (Marsella, Francia).

[5] Departamento de Física y Ciencia Atmosférica, Universidad Dalhousie, Halifax (Nueva Escocia, Canadá).

[6] Organización Europea para la Investigación Astronómica en el Hemisferio Austral, Karl Schwarzschild Straße 2, 85748 Garching (Alemania).

[7] Departamento de Astronomía y Física, Universidad Saint Mary’s, Halifax (Nueva Escocia, Canadá).

[8] Departamento de Astronomía, Universidad de Florida, Bryant Space Sciences Center, Gainesville, FL 32611, Estados Unidos.

[9] Centro de Astrofísica Computacional, Flatiron Institute, 162 Fifth Avenue, Nueva York, NY 10010, Estados Unidos.

[10] Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica, 60 Garden Street, Cambridge, MA 02138, Estados Unidos.

[11] Instituto Kavli de Astrofísica de Partículas y Cosmología, Universidad Stanford, Stanford, CA 94305, Estados Unidos.

[12] Departamento de Física y Astronomía, Universidad de California, Irvine, CA 92697, Estados Unidos.

[13] Departamento de Física y Astronomía, Universidad de California, Los Angeles, CA 90095, Estados Unidos.

[14] Departamento de Astronomía, Universidad Yale, 52 Hillhouse Avenue, New Haven, CT 06511, Estados Unidos.

[15] Departamento de Astronomía, Universidad de Illinois, 1002 West Green St., Urbana, IL 61801, Estados Unidos.

[16] Instituto Max Planck de Radioastronomía, Auf dem Hügel 69 D-53121 Bonn, Alemania.

*Autor. E-mail: spilkerj@gmail.com.

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.