17 de junio de 2015

Encuentran a CR7 en una lejana galaxia

La teoría del Big Bang proclama que el universo comenzó con una gran "explosión" que enriqueció el espacio con hidrógeno -en mayor parte-, helio y trazas de litio. Por tanto, para llegar a la complejidad química que tenemos actualmente tuvo que existir una primera generación de estrellas que hicisese esa labor. Esas estrellas, aunque teóricas, se les llama de población III.

¿Por qué no de población I? Sencillamente porque ese nombre ya estaba asignado a estrellas ricas en elementos más pesados, como el Sol. La población II también estaba asignada a aquéllas más antiguas con bajo contenido en elementos pesados. Por tanto, a las estrellas más antiguas se les asignó el nombre de población III.

Imagen 1: Posible agrupación de estrellas de población III. Créditos: NASA/JPL-Caltech/A. Kashlinsky (GSFC).

Todos elementos químicos pesados se forjaron en el interior de las estrellas, lo que significa que estos primeros astros debieron haberse formado a partir de los únicos elementos que existían antes de las estrellas, que como se ha dicho arriba, eran: hidrógeno en mayor medida, helio y pequeñas trazas de litio.

La teoría dicta que estas estrellas de población III habrían sido enormes: cientos o miles de veces más masivas que el Sol con una vida efímera: uno o dos millones de años. Esto es un suspiro si lo comparamos con los 10.000 millones de años que se le estima a nuestro Sol. Al final de sus vidas, estas estrellas de poblacion III explotarían en gigantescas explosiones de supernova. Pero hasta hora no se había encontrado ninguna evidencia clara de ellas.

Intentos fallidos

Encontrar estrellas de población III es muy difícil, y aunque estallasen en inmensas supernovas, por aquella época el universo no era tan transparente como lo es ahora, por tanto su luz no tenía un gran camino que recorrer debido a la opacidad de aquel cosmos.

Imagen 2: Restos de una explosión de supernova conocidos como “Nebulosa del Cangrejo” (M1) situada a 6.300 años luz. Su luz llegó a la Tierra en el año 1054 de nuestra era. El brillo de la explosión duró varias semanas y era comparable al de la Luna. Créditos: NASA, ESA, J. Hester y A. Loll (Arizona State University).

Tohru Nagao, que encabezó una investigación en 2008 sobre este tipo de estrellas de población III (T. Nagao et al. 2008, ApJ 680 100), no consiguió detectar helio ionizado, elemento relativamente abundante en aquellas épocas.

En 2000, Carlos De Breuck sí que consiguió detectar el helio ionizado, pero junto a carbono, oxígeno y claras firmas de un núcleo galáctico activo (C. De Breuck et al. 2000, A&A 562 519), indicando que la formación no era tan joven y, por tanto, incompatible con la poblacion III.

Por último, en 2013, Paolo Cassata también logró detectar el helio ionizado pero, al igual que De Breuck, coexistiendo junto con carbono y oxígeno (P. Cassata et al. 2013, A&A, 556 A68), descartando la posibilidad de que se tratase población III.

Nuevas evidencias de Pop III

Ahora, un equipo dirigido por David Sobral, del Instituto de Astrofísica y Ciencias del Espacio (Portugal), la Universidad de Lisboa (Portugal) y el Observatorio de Leiden (Holanda), ha utilizado el VLT (Very Large Telescope) de ESO para mirar hacia el universo antiguo en un periodo conocido como reionización, época que tuvo lugar aproximadamente 800 millones de años después del Big Bang.

Imagen 3: El VLT, frente a una puesta de Luna. Créditos: G.Gillet/ESO.

En lugar de llevar a cabo un estudio profundo y limitado de un área pequeña del cielo, que es lo que se suele hacer en estos casos, ampliaron su alcance para producir el sondeo más amplio de galaxias muy lejanas jamás elaborado. Para realizar el estudio se contó con el apoyo del Observatorio W. M. Keck (Estados Unidos), del telescopio Subaru (Estados Unidos) y del telescopio espacial Hubble. Tras los primeros análisis llegaron los resultados: el equipo descubrió y confirmó una serie de galaxias muy jóvenes extremadamente brillantes.

CR7

Una de estas galaxias fue apodada CR7, que aunque su nombre está inspirado en el futbolista Cristiano Ronaldo, compatriota del autor de la investigación, procede de COSMOS Redshift 7. Resulta que CR7 es un objeto excepcionalmente raro: es la galaxia más brillante nunca observada en esa etapa del universo, tres veces más brillante que el anterior titular del récord, Himiko (J. Zabl et al. 2015, MNRAS 451 2050-2070), que se pensó era la única de su tipo. Con el descubrimiento de CR7 y otras galaxias brillantes el estudio ya era un éxito, pero al revisar los datos, se obtuvieron más noticias interesantes.

Imagen 4: Representación artística de la galaxia CR7, la más brillante del universo lejano. Créditos: ESO/M. Kornmesser.

Los instrumentos X-shooter y SINFONI (Spectrograph for INtegral Field Observations in the Near Infrared) instalados en el VLT, descubrieron en CR7 una potente emisión de helio ionizado pero, a diferencia de las investigaciones de De Breuck y Cassata, ninguna señal de elementos más pesados, lo que significa que Sobral y su equipo habían descubierto la primera evidencia válida de la existencia de cúmulos de estrellas de población III.

Todo apunta a Pop III

El equipo, para asegurarse de la validez de este descubrimiento, consideró dos teorías alternativas antes de proclamar la existencia de estrellas de población III:
1) que la fuente de luz fuera o bien un AGN (Núcleo de Galaxia Activa) o bien estrellas Wolf-Rayet, pero ante la falta de elementos pesados, refutan firmemente las dos opciones.

2) que la fuente pueda ser un agujero negro de colapso directo, que son en sí mismos objetos exóticos y excepcionales puramente teóricos, pero la falta de una línea ancha de emisión y el hecho de que las luminosidades del hidrógeno y el helio fueran mucho mayores de lo predicho para este tipo de agujeros negros indican que esto, también es poco probable.
Con esto, la presencia de una población III tomaba validez real en la investigación.

Imagen 5: Izquierda: CR7 con el filtro de imágenes NB921/Suprime-cam en Subaru que muestra la extensión de la Lyα. Hay que tener en cuenta que NB921/Suprime-cam detecta las Lyα sólo al 50% de transmisión. Centro: imágenes del Hubble en YJ, revelando que CR7 se divide claramente en 3 componentes, nombrados A, B y C. Derecha: imágenes del Hubble en H, revelando una vez más las 3 componentes en CR7. Nos encontramos con que la componente A domina plenamente en ultravioleta y coincide con el pico de emisión en Lyα en la ubicación en la que se detecta una fuerte emisión de He II a 1640 Å. Las componentes B y C son mucho más rojas y totalmente coherentes con la fotometría IRAC. Debido a que los componentes B y C dominan por completo la masa del sistema, el centro de masa real se ubicaría entre B y C, y significativamente lejos de A. Esto es totalmente coherente con un escenario en la formación de estrellas de población III propagándose desde la posición central hacia la periferia. Créditos: The Astrophysical Journal/D. Sobral et al.

"El descubrimiento desafiaba nuestras expectativas desde el principio ya que no esperábamos encontrar una galaxia tan brillante. Entonces, al descubrir la naturaleza de CR7, comprendimos que no sólo habíamos descubierto la galaxia lejana más luminosa, sino que también nos dimos cuenta de que cumplía todas y cada una de las características esperadas de estrellas de población III", afirma David Sobral. "Esas estrellas fueron las que formaron los primeros átomos pesados que, en última instancia, nos ha permitido estar aquí. Realmente no hay nada más emocionante que esto", añade.

Dentro de CR7 se encontraron cúmulos de estrellas más azules y otros que contenían estrellas un poco más rojas, lo que parece indicar que las estrellas de población III no se formaron al mismo tiempo, sino por oleadas, tal y como se venía prediciendo en las teorías. Lo que el equipo observó de forma directa fue la última oleada de estrellas de población III, sugiriendo que tales estrellas deben ser más fáciles de encontrar de lo que se pensaba previamente ya que parece ser que residen entre estrellas normales en las galaxias más brillantes, y no sólo en las galaxias más tempranas, pequeñas y débiles, tal y como se pensaba. Y esto es una gran noticia porque son galaxias extremadamente difíciles de estudiar.

Imagen 6: Composición en falso color de CR7 utilizando el filtro NB921/Suprime-cam (Lyα) y dos filtros HST/WFC3: F110W (YJ) y F160W (H). Esto demuestra que, si bien el componente A es el que domina la emisión Lyα y la luz UV rest-frame y la probable dispersión de la emisión Lyα, que parece extenderse todo el camino desde B y parte de C, es probable que indique una cantidad significativa de gas en el sistema. Créditos: The Astrophysical Journal/D. Sobral et al.

Está previsto llevar a cabo observaciones con el VLT, ALMA y el Telescopio Espacial Hubble para confirmar, más allá de toda duda, que lo que se ha observado son estrellas de población III y buscar e identificar otros ejemplos.

Jorryt Matthee, segundo autor del artículo, concluyó: "Siempre me he preguntado de dónde venimos. Incluso siendo niño quería saber de dónde provienen los elementos: el calcio de mis huesos, el carbono de mis músculos, el hierro de mi sangre. Descubrí que estos se formaron primero en los inicios del universo, por la primera generación de estrellas. Con este notable descubrimiento estamos empezando a ver estos objetos por primera vez".
Este trabajo de investigación se ha presentado en la revista The Astrophysical Journal bajo el titulo “Evidence for PopIII-like stellar populations in the most luminous Lyman-α emitters at the epoch of re-ionisation: spectroscopic confirmation”, por D. Sobral, et al.

El equipo está formado por David Sobral (Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço/Universidade de Lisboa, Portugal; Departamento de Física/Faculdade de Ciências/Universidade de Lisboa, Portugal; Leiden Observatory/Leiden University, Holanda), Jorryt Matthee (Leiden Observatory/Leiden University, Holanda), Behnam Darvish (Department of Physics and Astronomy/University of California, Estados Unidos), Daniel Schaerer (Observatoire de Genève/Département d’Astronomie/Université de Genève, Suiza; Centre National de la Recherche Scientifique/IRAP, Francia), Bahram Mobasher (Department of Physics and Astronomy/University of California, Estados Unidos), Huub J. A. Röttgering (Leiden Observatory/Leiden University, Holanda), Sérgio Santos (Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço/Universidade de Lisboa/Departamento de Física/Universidade de Lisboa, Portugal) y Shoubaneh Hemmati (Department of Physics and Astronomy/University of California, Estados Unidos).
Artículo científico:

Referencias:

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