Revelan primeras imágenes captadas en frecuencias más altas de ALMA

17 agosto, 2018

Artículo Científico

Tras realizar observaciones en las frecuencias más altas del Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), un equipo de científicos reveló la existencia de chorros de vapor de agua caliente saliendo de una estrella recién formada. Los investigadores también detectaron las “huellas dactilares” de una extraordinaria variedad de moléculas cerca de esta incubadora de estrellas.

El telescopio ALMA, ubicado en Chile, ha transformado la forma en que vemos el Universo, mostrándonos partes del Cosmos invisibles para los demás telescopios. Este conjunto de antenas increíblemente precisas observa un rango de frecuencias relativamente alto de las emisiones de radio, con longitudes que van de unos pocos décimos de milímetros a varios milímetros. Hace poco ALMA amplió sus horizontes y alcanzó su frecuencia más alta a la fecha (es decir, la longitud de onda más corta), que permite observar una parte del espectro electromagnético situada entre la luz infrarroja y las ondas de radio.

“Las radioobservaciones en alta frecuencia como estas normalmente son imposibles desde la Tierra”, explica Brett McGuire, quien se desempeña como químico en el Observatorio Radioastronómico Nacional de Estados Unidos, en Charlottesville (Virginia), y es el autor principal de un artículo que se publicará en la revista The Astrophysical Journal. “Son observaciones que requieren la extrema sensibilidad y precisión de ALMA, además del aire más seco y estable que se pueda encontrar en la Tierra”.

Bajo condiciones atmosféricas ideales, la noche del 5 de abril de 2018, los astrónomos apuntaron la visión de más alta frecuencia de ALMA hacia una curiosa región de la nebulosa Pata de Gato (también conocida como NGC 6334), un complejo incubador de estrellas situado a unos 4.300 años luz de la Tierra, en dirección de la constelación austral de Escorpio.

Ilustración destacando las capacidades de observación de ALMA en alta frecuencia. Crédito: NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello

Ilustración destacando las capacidades de observación de ALMA en alta frecuencia. Crédito: NRAO/AUI/NSF, S. Dagnello

Las observaciones hechas anteriormente con ALMA en frecuencias más bajas habían revelado una turbulenta formación estelar, un entorno altamente dinámico y la presencia de numerosas moléculas dentro de la nebulosa.

Para observar en frecuencias más altas, se equipó cada antena de ALMA con una serie de “bandas”, de 1 a 10, diseñadas para estudiar una franja específica del espectro. Los receptores de banda 10 observan en la frecuencia más alta (las longitudes de onda más cortas), abarcando longitudes de onda de entre 0,3 y 0,4 milímetros (787 a 950 gigahertz), también considerado luz infrarroja de larga longitud.

Estas observaciones pioneras con la Banda 10 produjeron dos resultados muy interesantes.

Foto de uno de los cartridges fríos de Banda 10, que le da la posibilidad a ALMA de observar en altas frecuencias. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

Foto de uno de los cartridges fríos de Banda 10, que le da la posibilidad a ALMA de observar en altas frecuencias. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

La parte superior de este gráfico muestra las líneas espectrales detectadas por ALMA en una región de formación estelar en la Nebulosa de la Pata de Gato. La porción inferior, en negro, muestra las líneas espectrales detectadas por el telescopio espacial Herschel de la ESA. Las observaciones de ALMA detectaron más de diez veces más líneas espectrales. Para efectos de poder compararlas mejor, las líneas espectrales de Hershel fueron invertidas. Dos líneas moleculares fueron etiquetadas para referencia. Crédito: NRAO/AUI/NSF, B. McGuire et al.

La parte superior de este gráfico muestra las líneas espectrales detectadas por ALMA en una región de formación estelar en la Nebulosa de la Pata de Gato. La porción inferior, en negro, muestra las líneas espectrales detectadas por el telescopio espacial Herschel de la ESA. Las observaciones de ALMA detectaron más de diez veces más líneas espectrales. Para efectos de poder compararlas mejor, las líneas espectrales de Hershel fueron invertidas. Dos líneas moleculares fueron etiquetadas para referencia. Crédito: NRAO/AUI/NSF, B. McGuire et al.

Chorros de vapor en protoestrella

Uno de los primeros resultados obtenidos por ALMA en la Banda 10 también corresponde a una de las observaciones más difíciles: la observación directa de los chorros de vapor de agua emitidos por una de las protoestrellas masivas de la región. ALMA detectó la luz submilimétrica emitida naturalmente por agua pesada (moléculas de agua formadas por átomos de oxígeno, hidrógeno y deuterio; este último es un átomo de hidrógeno con un protón y un neutrón en el núcleo).

“Normalmente sería imposible detectar esta señal desde la Tierra”, afirma Crystal Brogan, astrónoma del NRAO y coautora del artículo. “La atmósfera de la Tierra, incluso en los lugares más áridos, contiene suficiente vapor de agua como para obstruir completamente este tipo de señal de cualquier fuente cósmica. Pero en el altiplano del desierto de Atacama, en los días más favorables ALMA puede detectar esa señal. Es algo que ningún otro telescopio de la Tierra puede hacer”.

Cuando las estrellas empiezan a formarse a partir de nubes de polvo y gas masivas, el material que las rodea fluye hacia la masa central. Sin embargo, parte del material es eyectado de la creciente protoestrella a través de dos chorros hechos de gas y moléculas como la de agua.

Imagen compuesta tomada en alta frecuencia por ALMA de NGC 6334I, una región de formación estelar en la Nebulosa de la Pata de Gato. En azul se muestra agua pesada (HDO) fluyendo hacia afuera desde ya sea una única protoestrella o desde un cúmulo de estas. En naranjo se muestra la emisión en continuo de la misma región, en que los científicos encontraron una gran variedad de moléculas, incluyendo glycoaldehido, la molécula más simple relacionada al azúcar. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO): NRAO/AUI/NSF, B. Saxton

Imagen compuesta tomada en alta frecuencia por ALMA de NGC 6334I, una región de formación estelar en la Nebulosa de la Pata de Gato. En azul se muestra agua pesada (HDO) fluyendo hacia afuera desde ya sea una única protoestrella o desde un cúmulo de estas. En naranjo se muestra la emisión en continuo de la misma región, en que los científicos encontraron una gran variedad de moléculas, incluyendo glycoaldehido, la molécula más simple relacionada al azúcar. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO): NRAO/AUI/NSF, B. Saxton

El agua pesada que los investigadores observaron está emanando ya sea de una protoestrella o de un pequeño cúmulo de protoestrellas. Estos chorros tienen una orientación diferente de otros objetos que parecen ser chorros mucho más grandes y posiblemente más maduros, provenientes de la misma región. Los astrónomos creen que los chorros de agua pesada observados por ALMA son fenómenos relativamente recientes que están apenas empezando a desplazarse hacia la nebulosa circundante.

Las observaciones también revelaron que, en las regiones donde esta agua se estrella contra el gas circundante, se producen máseres de agua (versiones naturales de los láseres en microondas) de baja frecuencia. Los máseres fueron detectados en observaciones complementarias realizadas por el Very Large Array de la Fundación Nacional de Ciencia de EE. UU.

Imagen del agua pesada (HDO) fluyendo hacia afuera de NGC 6334I en la Nebulosa de la Pata de Gato. Esta imagen es el resultado de las capacidades de ALMA de observar en altas frecuencias, empujando los límites de lo posible en observatorios basados en Tierra. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); NRAO/AUI/NSF, B. Saxton

Imagen del agua pesada (HDO) fluyendo hacia afuera de NGC 6334I en la Nebulosa de la Pata de Gato. Esta imagen es el resultado de las capacidades de ALMA de observar en altas frecuencias, empujando los límites de lo posible en observatorios basados en Tierra.
Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); NRAO/AUI/NSF, B. Saxton

ALMA observa gran variedad de moléculas

Además de generar impresionantes imágenes de astros, ALMA también tiene una extraordinaria capacidad para estudiar la química del cosmos. Mientras giran y vibran en el espacio, las moléculas emiten luz en determinadas longitudes de onda, que se ven como puntas y valles en un espectro. Todos los receptores de ALMA son capaces de detectar estas huellas espectrales únicas, pero las frecuencias más altas aportan datos sobre los químicos más livianos e importantes, como el agua pesada. Asimismo, son capaces de captar las señales emitidas por moléculas complejas y tibias que emiten líneas espectrales más débiles en frecuencias más bajas.

Gracias a la Banda 10, los investigadores pudieron observar un espectro de la región excepcionalmente rico en huellas moleculares, como el glicolaldehído, la molécula de azúcar más simple de todas.

En comparación con las mejores observaciones de esta misma fuente realizadas a la fecha, en este caso por el Observatorio Espacial Herschel de la Agencia Espacial Europea, las observaciones de ALMA detectaron más de diez veces más líneas espectrales.

“Detectamos un gran abanico de moléculas orgánicas complejas alrededor de esta incubadora masiva”, celebra McGuire. “Estos resultados fueron recibidos con entusiasmo por la comunidad astronómica y demuestran una vez más cómo ALMA está cambiando nuestra forma de ver el Universo”.

ALMA es capaz de aprovechar estas raras oportunidades cuando las condiciones atmosféricas son ideales gracias a un calendario dinámico. En otras palabras, los operadores del telescopio y los astrónomos hacen un seguimiento cuidadoso de la meteorología y programan las observaciones más idóneas en función de las condiciones previstas.

“Sin duda se tienen que cumplir numerosas condiciones para poder realizar una observación exitosa en la Banda 10”, concluye Brogan. “Pero estos nuevos resultados de ALMA demuestran la importancia de estas observaciones”.

“Para mantenerse en la frontera de los descubrimientos, las observaciones deben innovar continuamente para impulsar las posibilidades de la astronomía” dijo Joe Pesce, director de programa de NRAO en la NSF. “Ese es el elemento central de NRAO de la NSF y su telescopio ALMA. Este descubrimiento corre el límite de lo que es posible de hacer con telescopios instalados en la Tierra.”

Información adicional

Los resultados de esta investigación se describen en un artículo titulado “First results of an ALMA band 10 spectral line survey of NGC 6334I: Detections of glycolaldehyde (HC(O)CH2OH) and a new compact bipolar outflow in HDO and CS” (‘Primeros resultados de una observación de línea espectral de NGC 6334I en la Banda 10 con ALMA: detecciones de glicolhaldehído [HC(O)CH2OH] y un nuevo chorro bipolar compacto en HDO y CS’), de B. McGuire et al., publicado en The Astrophysical Journal [http://apl.aas.org].

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.