Descubrimientos

Descubrimientos

El 3 de octubre de 2011 ALMA reveló su primera imagen científica: una nueva vista de las galaxias Antennae. Aunque ALMA todavía estaba en construcción y tenía solo 12 antenas, la imagen puso de manifiesto su gran potencial científico, pues brindó una perspectiva sin precedentes de las galaxias en colisión al revelar el frío contenido de polvo y gas de su medio interestelar.

Las galaxias Antena (también conocidas como NGC 4038 y 4039) son un dúo de galaxias espiral en colisión y con formas distorsionadas que están a unos 70 millones de años-luz de distancia, en la constelación de Corvus (el Cuervo). Esta imagen combina observaciones realizadas por ALMA durante la etapa de pruebas y observaciones en longitudes de onda de luz visible hechas con el telescopio espacial Hubble de la NASA y ESA. La imagen del Hubble es la más precisa que se haya captado de este objeto y sirve de referencia en términos de resolución. ALMA realiza observaciones en longitudes de onda mucho más largas, con lo cual es más difícil obtener imágenes tan nítidas. Sin embargo, cuando el conjunto de ALMA esté construido, su capacidad de resolución será diez veces superior a la del Hubble. La mayor parte de las observaciones de prueba de ALMA usadas para crear esta imagen se hicieron utilizadando solo doce antenas -menos de las que se usarán para las primeras observaciones científicas- y con separaciones mucho menores entre ellas, por lo cual no es más que un atisbo de lo que está por venir. A medida que el observatorio crezca y se vayan incorporando nuevas antenas, aumentará exponencialmente la precisión, eficiencia y calidad de sus observaciones. Aun así, esta es la mejor imagen que se haya obtenido de las galaxias Antena en ondas submilimétricas, lo que marca un hito en la exploración del Universo submilimétrico. Mientras que la observación en luz visible (representada principalmente en azul en esta imagen) permite detectar estrellas recién formadas en las galaxias, ALMA revela objetos imposible de observar en esa longitud de onda, como lo son las densas nubes de gas frío donde se forman las estrellas. Las observaciones de ALMA (representadas aquí en rojo, rosado y amarillo) se realizaron en longitudes de onda milimétricas y submilimétricas específicas para detectar la presencia de moléculas de monóxido de carbono en nubes de hidrógeno -invisibles en otras longitudes de onda-, donde se forman las estrellas. Se descubrieron concentraciones masivas de gas no solo en el corazón de ambas galaxias, sino también en la caótica zona donde entran en colisión. Allí, la cantidad de gas supera en miles de millones de veces la masa de nuestro Sol, lo que constituye una rica reserva de material para las futuras generaciones de estrellas. Este tipo de observaciones serán vitales para comprender cómo las colisiones de galaxias pueden provocar el nacimiento de estrellas. Este es solo un ejemplo de cómo ALMA revela partes del Universo que no pueden ser observadas por los telescopios ópticos e infrarrojos. Créditos: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO). Imagen en luz visible: telescopio espacial Hubble de NASA/ESA.
Créditos: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO). Imagen en luz visible: telescopio espacial Hubble de NASA/ESA.

Durante el decenio siguiente, la comunidad astronómica publicó más de 2.500 artículos científicos a partir de datos obtenidos por ALMA sobre una gran variedad de objetos del cosmos.  Así, ALMA ha ayudado a los astrónomos a realizar hallazgos científicos revolucionarios que han abarcado desde las lunas del Sistema Solar hasta las galaxias en formación en los confines del Universo, lo que ha dado un impulso sin precedentes a la búsqueda de nuestros orígenes cósmicos.

Gracias a ALMA, hemos profundizado nuestra comprensión de numerosos fenómenos astronómicos. A continuación detallamos algunos ejemplos.

Formación de galaxias

En 2018, los astrónomos estudiaron la formación de las galaxias y usaron ALMA para detectar las moléculas de oxígeno más distantes que se hayan observado. El hallazgo, situado a unos 13.280 millones de años luz de distancia, permitió al equipo de investigación determinar que la formación estelar empezó de forma repentina en esa galaxia tan solo 250 millones de años después del Big Bang. Tras el Big Bang, hubo un período en que el Universo careció de oxígeno. El oxígeno se formó posteriormente en las estrellas, que lo fueron liberando a medida que fueron muriendo. El descubrimiento de oxígeno en MACS1149-JD1 indica que toda una generación de estrellas ya había producido y expulsado oxígeno antes del período observado, transcurridos solo unos 500 millones de años desde el nacimiento del Universo.

En esta imagen se aprecia el cúmulo de galaxias MACS J1149.5+2223 observado por el telescopio espacial Hubble de la NASA/ESA, y el recuadro muestra la galaxia MACS1149-JD1, observada por ALMA, a 13.280 millones de años luz de distancia. La distribución del oxígeno detectada por ALMA se muestra en verde. Créditos: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), telescopio espacial Hubble de la NASA/ESA, W. Zheng (JHU), M. Postman (STScI), CLASH Team, Hashimoto et al.
Créditos: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), telescopio espacial Hubble de la NASA/ESA, W. Zheng (JHU), M. Postman (STScI), CLASH Team, Hashimoto et al.

En 2020, la revista The Astrophysical Journal publicó una vista nunca antes obtenida del polvo y el gas de un campo profundo cosmológico. Un grupo internacional de astrónomos usó ALMA para hacer un inventario del polvo y el gas moleculares en galaxias distantes a una profundidadsin precedentes en el icónico campo ultraprofundo del Hubble (H-UDF), una de las regiones más estudiadas del cielo. Se ha demostrado que las estrellas se forman a partir del colapso gravitacional de densas nubes de gas molecular. Para describir la evolución de las galaxias, es indispensable calcular su contenido de gas molecular y estudiar su desarrollo en el tiempo cósmico. Ese fue uno de los tres grandes objetivos de ALMA desde su concepción. Un equipo de investigación llevó a cabo el programa ASPECS (‘Estudio Espectroscópico con ALMA en el Campo Ultraprofundo del Hubble’, por su sigla en inglés) con ese fin. Fue el primer programa extragaláctico de gran envergadura diseñado para realizar un estudio tridimensional sin sesgos del contenido de gas molecular de las galaxias en el campo profundo extragaláctico mejor estudiado, el H-UDF.

Formación de estrellas

El radiotelescopio ALMA también ha ayudado a entender mejor los procesos de formación estelar. En 2021, los astrónomos usaron ALMA para mapear el Universo cercano y revelar la diversidad de las galaxias incubadoras de estrellas. Las estrellas se forman en nubes de polvo y gas conocidas como nubes moleculares, o incubadoras de estrellas. Cada incubadora del Universo puede dar nacimiento a miles o incluso decenas de miles de estrellas nuevas durante su vida. Entre 2013 y 2019, los astrónomos del proyecto PHANGS (‘Estudios Físicos en Alta Resolución Angular en Galaxias Cercanas’, por su sigla en inglés) realizaron la primera observación sistemática de 100.000 incubadoras de estrellas en 90 galaxias del Universo cercano para entender mejor su relación con las galaxias progenitoras. Los astrónomos descubrieron que las incubadoras tienen tamaños y formas muy variados, lo cual incide en las estrellas que allí se forman.

Utilizando el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), los científicos completaron un censo de casi 100 galaxias en el Universo cercano, mostrando sus comportamientos y apariencias. Los científicos compararon los datos de ALMA con los del Telescopio Espacial Hubble, que se muestran en una composición aquí. El estudio concluyó que, en contra de la opinión científica popular, las guarderías estelares no tienen todas el mismo aspecto ni actúan igual. De hecho, como se muestra aquí, son tan diferentes como los barrios, las ciudades, las regiones y los países que componen nuestro propio mundo. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/PHANGS, S. Dagnello (NRAO).
Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/PHANGS, S. Dagnello (NRAO).

En marzo de 2018, los astrónomos habían usado ALMA y otros telescopios para observar la red interna de incubadoras de estrellas de la nebulosa de Orión. El resultado fue una impresionante imagen con filamentos representados en rojo que se generó combinando datos de ALMA, del telescopio de 30 metros del Instituto de Radioastronomía Milimétrica de Francia (IRAM, en su sigla en francés) y el instrumento HAWK del Very Large Telescope, del Observatorio Europeo Austral (ESO, en su sigla en inglés). Los filamentos rojos son estructuras de gas frío visibles únicamente para los pocos telescopios que, como ALMA, observan en longitudes de onda milimétricas, puesto que son invisibles en frecuencias ópticas e infrarrojas. Este gas sucumbe paulatinamente a la fuerza de su propia gravedad hasta quedar lo suficientemente comprimido para formar una protoestrella, precursora de la estrella.

Esta espectacular e inusual imagen muestra parte de la famosa nebulosa de Orión, una región de formación estelar que se encuentra a unos 1350 años luz de la Tierra. Combina un mosaico de imágenes en longitud de onda milimétrica obtenidas por el radiotelescopio ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) y el telescopio IRAM de 30 metros, que se ven en rojo, con una vista infrarroja más conocida, obtenida por el instrumento HAWK-I, instalado en el Very Large Telescope de ESO, y que se muestra en azul. El grupo de estrellas brillantes de color blanco-azulado de la parte superior izquierda es el Cúmulo del Trapecio, formado por estrellas jóvenes calientes de tan solo unos pocos millones de años. Crédito: ESO/H. Drass/ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/A. Hacar
Crédito: ESO/H. Drass/ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/A. Hacar

Muerte de estrellas

Hace tres decenios, los astrónomos encontraron una de las estrellas en explosión más brillantes que se habían descubierto en más de 400 años. Conocida como Supernova 1987A (SN 1987A), este gigantesco astro brilló con una intensidad equivalente a la de 100 millones de soles durante varios meses luego de ser descubierta el 23 de febrero de 1987.

Para conmemorar el 30 aniversario de SN 1987A, los astrónomos publicaron nuevos datos e imágenes basados en observaciones del telescopio espacial Hubble de la NASA, del Observatorio Chandra de Rayos X y de ALMA que ofrecieron una vista sin precedentes del astro e inauguraron una nueva era en la historia de esta legendaria supernova.

Hace tres décadas, los astrónomos encontraron una de las estrellas en explosión más brillantes que se hayan descubierto en más de 400 años. Una gigantesca supernova llamada 1987A (SN 1987A) que brilló con la intensidad de 100 millones de soles durante varios meses tras su descubrimiento, el 23 de febrero de 1987.
Créditos: NASA/ESA, ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

No todas las estrellas mueren convirtiéndose en supernovas: algunas se inflan y se enfrían hasta convertirse en gigantes rojas. Durante ese proceso, generan flujos de partículas, o vientos estelares, que provocan una pérdida de masa. Debido a la falta de datos detallados, los astrónomos daban por sentado que estos vientos alrededor de la estrella eran esféricos. A medida que sigue evolucionando, la estrella vuelve a calentarse, y la radiación estelar hace brillar las crecientes capas de material estelar eyectado. Así nacen las nebulosas planetarias.

En 2020, los astrónomos usaron ALMA para observar vientos estelares alrededor de una serie de estrellas maduras y lograron explicar las increíbles formas de las nebulosas planetarias. Según sus hallazgos, al contrario de lo que se creía, los vientos estelares muchas veces no son esféricos, sino que se forman de la misma manera que las nebulosas planetarias. Así, los científicos concluyeron que la interacción con un segundo exoplaneta o estrella cercana incide en la forma de los vientos estelares y de la nebulosa planetaria. Los hallazgos de este estudio se publicaron en la prestigiosa revista Science.

Planetas

En 2014, ALMA extendió sus brazos para alcanzar su máxima resolución angular y observar HL Tau. La revolucionaria imagen obtenida reveló el proceso de génesis planetaria con un nivel de detalle sin precedentes, lo cual supuso un enorme avance en el estudio del desarrollo de los discos protoplanetarios y la formación de los planetas. La imagen superó toda las expectativas y reveló una serie de anillos brillantes y concéntricos separados por surcos. De esa forma, ALMA aportó pruebas fehacientes de la formación de planetas dentro de un disco protoplanetario y demostró que los planetas se forman más rápido de lo que se pensaba.

Esta es la imagen más nítida jamás obtenida por ALMA, aún más precisa que las que se toman normalmente en luz visible con el telescopio espacial Hubble de NASA/ESA. En ella vemos el disco protoplanetario que rodea a la joven estrella HL Tauri. Estas nuevas observaciones de ALMA revelan subestructuras dentro del disco que nunca antes se habían visto, e incluso muestran las posibles posiciones de los planetas formándose en las manchas oscuras dentro del sistema. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)
Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

La comunidad astronómica continuó usando ALMA para estudiar la génesis planetaria durante los años siguientes, y en 2018 un equipo internacional de investigadores publicó los resultados de una gran campaña que aportó una vista sin precedentes de planetas que estaban naciendo. La campaña, conocida como Disk Substructures at High Angular Resolution Project (DSHARP; ‘Proyecto de Observación de Subestructuras de Discos en Alta Resolución Angular’), produjo imágenes en alta resolución de 20 discos protoplanetarios cercanos. Gracias a estas increíbles imágenes, los astrónomos pudieron estudiar distintas características de los discos que les permitieron calcular la velocidad a la que pueden formarse los planetas. Según los investigadores, de estas observaciones se desprende que los planetas más grandes, con dimensiones y composiciones similares a las de Neptuno o Saturno, se forman rápido; de hecho, mucho más rápido de lo que postulaban las teorías vigentes. También tienden a formarse en los confines de sus sistemas solares, muy lejos de su estrella huésped.

Sistema Solar

ALMA también observó distintos objetos más cercanos a la Tierra con el fin de ayudar a los astrónomos y científicos a estudiar mejor nuestro vecindario cósmico.

En 2019, los astrónomos usaron los datos de ALMA para revelar las entrañas de Júpiter, donde pudieron observar torbellinos de nubes, grandes anillos coloridos y enormes tormentas. La atmósfera de Júpiter ha deslumbrado incontables veces por su belleza y su vorágine. ¿Pero qué sucede debajo de sus nubes? ¿Qué provoca las numerosas tormentas y erupciones que vemos en la superficie de ese planeta? Para saberlo, no basta la luz visible; los investigadores tuvieron que observar Júpiter en ondas de radio. Un nuevo conjunto de imágenes de radio obtenidas por ALMA proporcionó una vista sin precedentes de la atmósfera de Júpiter hasta 50 kilómetros debajo de su manto de nube visible.

Imagen de radio de Júpiter hecha con ALMA. Las bandas brillantes indican altas temperaturas y las bandas oscuras bajas temperaturas. Las bandas oscuras corresponden a las zonas de Júpiter, que a menudo son blancas en longitudes de onda visibles. Las bandas brillantes corresponden a los cinturones marrones del planeta. Esta imagen contiene más de 10 horas de datos, por lo que los detalles finos están manchados por la rotación del planeta. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), I. de Pater et al .; NRAO/AUI NSF, S. Dagnello.
Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), I. de Pater et al.; NRAO/AUI NSF, S. Dagnello.

Entre los demás objetos del Sistema Solar observados se encuentran asteroides, cometas, lunas y planetas. ALMA incluso ha ayudado a la NASA a ubicar Plutón con precisión, lo que permitió a su misión New Horizons obtener una nueva vista del planeta enano.

Imagen de ALMA del cometa 46P / Wirtanen tomada el 2 de diciembre cuando el cometa se acercaba a la Tierra. La imagen de ALMA muestra la concentración y distribución de las moléculas de cianuro de hidrógeno (HCN) cerca del centro del coma del cometa. Crédito: ALMA (ESO / NAOJ / NRAO); M. Cordiner, NASA / CUA
Crédito: ALMA (ESO / NAOJ / NRAO); M. Cordiner, NASA / CUA
Crédito: ALMA (ESO / NAOJ / NRAO), S. Trumbo et al.
Imagen compuesta de la atmósfera y los anillos de Urano tomada con el radiotelescopio ALMA en diciembre de 2017. La imagen muestra por primera vez la emisión térmica, o temperatura, de los anillos de Urano, permitiendo a los astrónomos determinarla en unos fríos 77º Kelvin (-196,15℃). Bandas oscuras en la atmósfera de Urano delatan la presencia de moléculas que absorben las ondas de radio, en particular gas de Sulfuro de Hidrógeno (H2S); mientras que las zonas más brillantes como el polo norte contienen muy pocas de estas moléculas. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); E. Molter and I. de Pater.
Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); E. Molter and I. de Pater.

Agujeros negros

Por último, otro gran acontecimiento para ALMA fue su participación en una colaboración internacional de radiobservatorios llamada Event Horizon Telescope (EHT) para constituir un interferómetro a escala mundial que permitió a los astrónomos obtener la primera imagen de un agujero negro. Al ser el telescopio milimétrico más grande del mundo, ALMA fue clave en esta colaboración. Su capacidad sin parangón permitió lograr una calibración de alta calidad con los datos de cada uno de los demás telescopios del conjunto y así obtener las fantásticas imágenes que produjo el EHT.

El Event Horizon Telescope (EHT), un conjunto a escala planetaria de ocho radiotelescopios terrestres forjados a través de la colaboración internacional, fue diseñado para capturar imágenes de un agujero negro. En conferencias de prensa coordinadas en todo el mundo, los investigadores de EHT revelaron que tuvieron éxito, revelando la primera evidencia visual directa del agujero negro supermasivo en el centro de Messier 87 y su sombra. La sombra de un agujero negro que se ve aquí es lo más cerca que podemos llegar a la imagen misma del agujero negro, un objeto completamente oscuro del cual la luz no puede escapar. El límite del agujero negro, el horizonte de eventos desde el cual el EHT toma su nombre, es aproximadamente 2,5 veces más pequeño que la sombra que proyecta y mide casi 40 mil millones de kilómetros de ancho. Si bien esto puede sonar grande, este anillo tiene solo unos 40 microarcsegundos, lo que equivale a medir la longitud de una tarjeta de crédito en la superficie de la Luna. Aunque los telescopios que forman el EHT no están conectados físicamente, son capaces de sincronizar los datos que registran con relojes atómicos, los máser de hidrógeno, que sincronizan sus observaciones de forma precisa. Estas observaciones se recopilaron en longitudes de onda de 1,3 mm durante una campaña global de 2017. Cada telescopio del EHT produjo enormes cantidades de datos, aproximadamente 350 terabytes por día, que se enviaron a supercomputadores altamente especializados, conocidos como correlacionadores, en el Instituto Max Planck de Radioastronomía y en el Observatorio Haystack MIT para su combinación. Luego se convirtieron meticulosamente en una imagen utilizando innovadoras herramientas computacionales desarrolladas por la colaboración. Crédito: Colaboración EHT
Crédito: Colaboración EHT

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