22 de julio de 2015

El resplandor de las primeras galaxias

Al poco tiempo de ocurrir el Big Bang, es decir, unos pocos cientos de millones de años después, se empezaron a formar las primeras galaxias en un ambiente dominado por una niebla de hidrógeno. Gracias a los agujeros negros y cuásares debidos a las primeras estrellas, la niebla era cada vez más heterogénea y el universo se fue haciendo transparente a la luz de manera gradual.

Imagen 1: Impresión artística de un cuásar. Créditos: ESO/M. Kornmesser.

Primero dejó pasar el ultravioleta en un proceso denominado reionización donde burbujas transparentes se formaban y crecían alrededor de las grandes estrellas. A medida que estas burbujas se fusionaban con otras, la luz pudo viajar por el universo.

Las primeras galaxias

Poco se sabe sobre estas primeras galaxias que albergaron esas primeras estrellas porque hasta ahora se nos mostraban como manchas muy tenues. Sin embargo, gracias a nuevas observaciones con el conjunto ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) hemos podido observarlas con mayor claridad.
Imagen 2: El conjunto de ALMA surcado por un meteoro. Créditos: ESO/C. Malin.

Un equipo de astrónomos liderado por Roberto Maiolino del Laboratorio Cavendish y el Instituto Kavli de Cosmología británicos observó con ALMA unas galaxias formadas 800 millones de años después del Big Bang con la intención de detectar las débiles trazas de carbono ionizado procedente de las nubes de gas donde formaron las estrellas.

La llamada del carbono

Concretamente, el equipo buscaba la emisión de carbono ionizado conocida como [CII]. Esta radiación emite a 158 micras de longitud de onda y tras estirarse en el espacio-tiempo con la expansión del universo, actualmente la detectamos en una longitud de onda de unos 1,3 milímetros, y eso es perfecto para ALMA.

Imagen 3: Arriba: Mapa de las emisiones en [CII] en BDF3299 obtenidas con ALMA en un intervalo de velocidad de 100 Km/s, centradas en 64 Km/s (en relación con la frecuencia esperada del [CII] con un desplazamiento al rojo de z = 7,109). La etiqueta "A" indica el contorno asociado a la detección del [CII]. Abajo: Ampliación de la zona etiquetada como "A". Créditos: MNRAS/R. Maiolino et al.

Con estas trazas de [CII] el equipo quería estudiar la interacción entre una generación joven de estrellas y los fríos grumos que se estaban uniendo en el interior de estas primeras galaxias. No buscaban los escasos objetos extremadamente brillantes que ya habían sido observados, sino que se centraron en buscar algo menos llamativo y mucho más común: galaxias que reionizaron el universo.

El resplandor

ALMA captó una señal tenue pero clara de carbono en una galaxia de bonito nombre: BDF3299. Pero el resplandor detectado no procedía del centro de la galaxia, sino de uno de sus lados. Andrea Ferrara de la Esuela Normal Superior (Italia) y coautor de la investigación, lo explica: "Se trata de la detección más distante hecha hasta ahora de este tipo de emisión de una galaxia 'normal', vista menos de mil millones de años después del Big Bang". Con esto es la primera vez que se detectan estructuras internas en las galaxias tempranas.

Imagen 4: Combinación de imágenes de ALMA y del telescopio VLT (Very Large Telescope) donde el objeto central es la lejana galaxia BDF3299. La nube roja en la parte inferior izquierda es la detección de ALMA de una enorme nube de material a partir de la cual se está formando la joven galaxia. Crédito: ESO/R. Maiolino.

El motivo por el cual el brillo no está en el centro de la galaxia se cree que puede deberse a que las nubes centrales están siendo perturbadas por el entorno hostil creado por las estrellas recién formadas, tanto por su intensa radiación como por los efectos de explosiones de supernova. Las trazas de carbono detectadas serían la emisión del gas frío que está siendo acretado desde el medio intergaláctico.

La galaxia reionizadora

Al combinar las observaciones de ALMA con los modelos teóricos ha sido posible comprender los procesos clave que tienen lugar dentro de las primeras galaxias, siendo BDF3299 posiblemente un ejemplo típico de las galaxias responsables de la reionización del universo.

"Hemos estado intentando entender el medio interestelar y la formación de las fuentes de reionización durante muchos años. Finalmente, es muy emocionante comprobar las predicciones y las hipótesis con datos reales", añade Ferrara.

Imagen 5: Antenas de ALMA en la altiplanicie de Chajnantor. Créditos: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO).

"Sin ALMA, este estudio habría sido sencillamente imposible y aunque esta es una de las observaciones más profundas de ALMA, aún está lejos de alcanzar su capacidad máxima", concluye Maiolino dejando claro que ALMA es el presente y futuro de las investigaciones del universo temprano. Dentro de poco, podremos estudiar un universo extremadamente joven que nos ayudará a comprender el universo en su estado actual.
Este trabajo de investigación ha sido publicado el 22 de julio de 2015 en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society bajo el título “The assembly of “normal” galaxies at z∼7 probed by ALMA”, por R. Maiolino et al.

El equipo que ha realizado la investigación está formado por R. Maiolino (Cavendish Laboratory/University of Cambridge, Reino Unido; Kavli Institute for Cosmology/University of Cambridge, Reino Unido), S. Carniani (Cavendish Laboratory/University of Cambridge, Reino Unido; Kavli Institute for Cosmology/University of Cambridge, Reino Unido; Universitá di Firenze, Italia), A. Fontana (INAF–Osservatorio Astronomico di Roma, Italia), L. Vallini (Scuola Normale Superiore, Italia; Universitá di Bologna, Italia), L. Pentericci (INAF–Osservatorio Astronomico di Roma, Italia), A. Ferrara (Scuola Normale Superiore, Italia), E. Vanzella (INAF–Bologna Astronomical Observatory, Italia), A. Grazian (INAF–Osservatorio Astronomico di Roma, Italia), S. Gallerani (Scuola Normale Superiore, Italia), M. Castellano (INAF–Osservatorio Astronomico di Roma, Italia), S. Cristiani (INAF–Trieste Astronomical Observatory, Italia), G. Brammer (Space Telescope Science Institute, Estados Unidos), P. Santini (INAF–Osservatorio Astronomico di Roma, Italia), J. Wagg (Square Kilometre Array Organization, Reino Unido) y R. Williams (Cavendish Laboratory/University of Cambridge, Reino Unido; Kavli Institute for Cosmology/University of Cambridge, Reino Unido).
Artículo científico:

Referencias:

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