Así nace una galaxia elíptica

Una galaxia elíptica se podría definir como un gran conjunto con escaso contenido de gas y plagado de viejas estrellas. Junto con las espirales y las lenticulares, son el tipo de galaxias más abundante del universo conocido. Las teorías creen que este tipo de galaxias tiene una formación que va desde dentro hacia fuera, siendo un gran núcleo la nota predominante en las primeras etapas de la vida de estas galaxias.

Sin embargo, las evidencias de esta fase inicial han sido muy esquivas para los científicos. Pero eso ha cambiado. Y es que un grupo de astrónomos ha descubierto un compacto núcleo galáctico conocido como GOODS-N-774, llamado popularmente Sparky. En base a las evidencias observacionales, apareció hace once mil millones de años, tan sólo tres mil millones de años después del Big Bang.

Encontrando a Sparky

Sparky fue encontrado mientas estudiaban imágenes del instrumento WFC3 (Wide Field Camera 3) a bordo del Telescopio Espacial Hubble donde aparecían miles de galaxias captadas en los sondeos 3D-HST y CANDELS (Cosmic Assembly Near-infrared Deep Extragalactic Legacy Survey) . Posteriormente utilizaron instrumentos del W.M. Keck Observatory para medir la distancia a la galaxia desde la Tierra, y para detectar cómo de rápido se movía el gas, lo que confirmó que la estructura encontrada era enorme.

Imagen 1: Representación artística del núcleo de una galaxia en desarrollo en un universo joven. Créditos: NASA/ESA/Z. Levay y G. Gacon (STScI).

"Este proceso de formación de núcleo es un fenómeno exclusivo de los inicios del universo", explica Erica Nelson de la Yale University (Estados Unidos), autora principal del artículo donde se muestran los resultados. "Nunca habíamos visto la formación de una galaxia de este modo. En estos momentos hay algo en el universo que impide este tipo de formación galáctica. Sospechamos que el Universo pudo producir objetos más densos porque el Universo en su conjunto era más denso, esto es, poco después del Big Bang. Ahora es mucho menos denso”, añade.

Alta densidad estelar

El tamaño de Sparky viene siendo de seis mil años luz de diámetro frente a los cien mil años luz de diámetro de nuestra galaxia. Sin embargo, en cantidad de estrellas Sparky nos supera ya que contiene el doble que toda nuestra galaxia, indicando que la densidad estelar de este núcleo es realmente alta. Se cree que esta galaxia naciente seguirá creciendo para convertirse en una galaxia elíptica gigante. Los astrónomos piensan que esta galaxia, apenas visible, puede ser representativa de una población mucho más grande de objetos similares que son demasiado débiles para ser observados.

Imagen 2: Aspecto del núcleo de la galaxia GOODS-N-774 captada por la WFC3 del Hubble. Créditos: NASA/ESA/E. Nelson (Yale University).

Tras determinar el tamaño gracias a las imágenes del Hubble, el equipo analizó imágenes de archivo tanto del Telescopio Espacial Spitzer (NASA) como del Observatorio Espacial Herschel (ESA) para recabar información en el rango del infrarrojo lejano. Tras analizar todo esto, llegaron a la conclusión que GOODS-N-774 está produciendo 300 estrellas por año. "En comparación, la Vía Láctea produce treinta veces menos, unas diez estrellas por año," afirma Marijn Franx de la Leiden University (Holanda), co-autor del artículo.

Materia oscura

Los astrónomos creen que esta frenética formación estelar se produce debido a que el centro de la galaxia se ha formado en un pozo gravitatorio de materia oscura, ya que en el universo temprano estas extrañas formaciones de materia oscura crearon el andamiaje para la posterior formación de galaxias tal y como las conocemos.

"Son ambientes muy extremos", afirma Nelson. "Hay mucha turbulencia y está burbujeando. Si estuvieras allí, el cielo nocturno sería brillante con estrellas jóvenes, y habría una gran cantidad de polvo y gas”, añade.

El hecho de que sea tan poco brillante en el espectro visible puede ser debido a la gran cantidad de gas y polvo creada a partir de la alta tasa de formación estelar. De ahí que sea necesario un análisis en el espectro infrarrojo.

"Hemos visto la galaxia desde un momento muy temprano de su vida. Cuando pase este período creemos que este núcleo habrá dejado de crear estrella y que las galaxias más pequeñas se fusionarán con ésta durante los próximos diez mil millones expandiéndose y aumentando su tamaño”, explica Franx.

Cuando los instrumentos que analizan el universo infrarrojo alcancen un grado de sensibilidad superior podremos ver con mucho más detalle como nacen estos colosos galácticos, demostrar que, efectivamente, se forman en un pozo gravitatorio y de paso, hacer que la materia oscura sea un poco menos oscura.

El artículo científico aparece en la revista Nature del 27 de agosto de 2014 bajo el título “A massive galaxy in its core formation phase three billion years after the Big Bang”.

El equipo de científicos que ha participado en la investigación está formado por E. Nelson (Yale University, Estados Unidos), P. van Dokkum (Yale University, Estados Unidos), M. Franx (Leiden University, Holanda), G. Brammer (STScI, Estados Unidos), I. Momcheva (Yale University, Estados Unidos), N. M. Forster Schreiber (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Alemania), E. da Cunha (Max Planck Institute for Astronomy, Alemania), L. Tacconi (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Alemania), R. Bezanson (University of Arizona, Estados Unidos), A. Kirkpatrick (University of Massachusetts, Estados Unidos), J. Leja (Yale University, Estados Unidos), H-W. Rix (Max Planck Institute for Astronomy, Alemania), R. Skelton (SAAO, Sudáfrica), A. van der Wel (Max Planck Institute for Astronomy, Alemania), K. Whitaker (Goddard Space Center, Estados Unidos), y S. Wuyts (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Alemania).

Imagen 2: Composición creada a través de imágenes tomadas por los instrumentos ACS (Advanced Camera for Surveys) y WFC3 (Wide Field Camera 3) a bordo del Hubble Space Telescope en los siguientes filtros:

Banda Infrarroja (filtro I: 814 nm - ACS)

Banda Infrarroja (filtro Z: 850 nm - ACS)

Banda Infrarroja (filtro J: 1.25 um – WFC3)

Banda Infrarroja (filtro H: 1.60 um – WFC3)

Nota de prensa (ESA):

Witnessing the early growth of a giant 

Nota de prensa (STScI):

NASA Telescopes Help Uncover Early Construction Phase Of Giant Galaxy 

Artículo científico:

A massive galaxy in its core formation phase three billion years after the Big Bang 

Referencias:

- Hubble Space Telescope 

- Spitzer Space Telescope 

- Herschel Space Observatory 

- W.M. Keck Observatory 

- Yale University 

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Nebulosas planetarias con sorpresa

No es la primera vez que os hablo de nebulosas planetarias. Tanto en el blog como en CienciaXplora os he hablado de ellas. En un breve resumen para aquellos que el concepto de nebulosa planetaria sea novedoso, diremos que se trata del final de una estrella de tamaño solar. Estas muertes pueden llegar a crear formas tan caprichosas como estas:

Imagen de la nebulosa planetaria Abell 33, en segundo plano, alineada con la estrella HD 83535, en primer plano, recordando el conjunto a un anillo de diamantes. Créditos: ESO.

Continuando en el marco de las nebulosas planetarias, hay que hablar de un hallazgo que ha despertado la sorpresa entre los investigadores, y es que se ha descubierto la presencia de OH⁺ en varias nebulosas planetarias.

Por partida doble

El hallazgo, sorprendente e inesperado, no ha sido confirmado por un sólo equipo de investigadores, sino por dos, independientes, siendo la primera vez que se encuentra esta molécula necesaria para la formación de agua.

El equipo holandés

Uno de los equipos, liderado por Isabel Aleman de la Universidad de Leiden (Holanda) analizó 11 nebulosas planetarias; tan sólo tres contenían la molécula OH⁺: NGC 6445 (Nebulosa de la Pequeña Joya), NGC 6720 (Nebulosa del Anillo) y NGC 6781.

"Creemos que una de las claves más importantes es la presencia de densos grumos de gas y polvo", afirma Aleman, "La radiación ultravioleta emitida por la vieja estrella caliente, interactúa con los grumos, desencadenando reacciones químicas que provocan la formación de moléculas de OH⁺", añade.

El equipo español

El otro equipo ha sido liderado por por Mireya Etxaluze, miembro del equipo de ASTROMOL en el Grupo de Astrofísica Molecular del ICMM (Instituto de Ciencia de Materiales) del CSIC. Esta investigación realizado con los datos obtenidos de observaciones llevadas a cabo con el telescopio espacial Herschel (ESA) y se ha centrado en la Nebulosa de la Hélice, la nebulosa planetaria más cercana a nuestro Sistema Solar, situada a 700 años luz en dirección a la constelación de Aquarius.

Nebulosa de la Hélice observada en el rango óptico con el telescopio espacial Hubble. La imagen de los contornos superpuestos, obtenida con el telescopio espacial Herschel en el rango infrarrojo, traza la distribución de los granos de polvos a lo largo de los anillos. El espectro obtenido por Herschel en la dirección de los anillos está caracterizado por las líneas en emisión de las moléculas de CO y OH+. Créditos: Imagen óptica – Telescopio Espacial Hubble Space Telescope (NASA/JPLCaltech); imagen infrarroja – ESA/Herschel/SPIRE.

Según declara Etxaluze en base a los datos analizados, "las moléculas previamente expulsadas por la estrella en forma de CO, son destruidas por el potente campo de radiación en las regiones donde se forman las moléculas OH⁺. Los grumos más protegidos tienen una química diferente".

José Cernicharo, coordinador del grupo ASTROMOL, habla del esfuerzo realizado, así como de la eficacia del programa. "La interpretación de las observaciones ha requerido un esfuerzo coordinado multidisciplinar que solo el Consolider Astromol podría ofrecer", afirma.

Un variado equipo formado por químicos, físicos y astrónomos han hecho posible la caracterización de los procesos químicos y físicos que dan lugar a OH⁺. ASTROMOL ha coordinado cálculos de la interacción colisional de OH⁺ con H2 y H, tanto analizado los niveles de energía vibracionales y electrónicos de OH⁺ como modelizando cómo esta molécula puede formarse y emitir en esos objetos tan iluminados por el ultravioleta.

Mejor tenerla cerca

“La proximidad de la Nebulosa de la Hélice nos ofrece una gran oportunidad: tenemos un laboratorio natural a las puertas de nuestro vecindario cósmico para estudiar con más detalle la química de estos objetos y su papel en el reciclaje de las moléculas a través del medio interestelar“, concluye Etxaluze.

Aunque bajo mi punto de vista, cuando los instrumentos se diseñan y construyen pensando en la calidad de los resultados, no es relevante la cercanía del objeto, ya que este parámetro queda sobradamente suplido cuando la tecnología es desarrollada pensando en ciencia de calidad.

Los dos artículos científicos a los que hace referencia el post han sido publicados en la revista Astronomy & Astrophysics.

El equipo de investigación español está formado por M. Etxaluze (Departamento de Astrofísica del Centro de Astrobiología(CSIC-INTA); Grupo de Astrofísica Molecular del Instituto de Ciencias de Materiales de Madrid (CSIC-ICMM)) J. Cernicharo (Departamento de Astrofísica del Centro de Astrobiología(CSIC-INTA), Madrid; Grupo de Astrofísica Molecular del Instituto de Ciencias de Materiales de Madrid (CSIC-ICMM), Madrid) J. R. Goicoechea (Departamento de Astrofísica del Centro de Astrobiología(CSIC-INTA), Madrid; Grupo de Astrofísica Molecular del Instituto de Ciencias de Materiales de Madrid (CSIC-ICMM), Madrid), P. A. M. van Hoof (Royal Observatory of Belgium, Bégica), B. M. Swinyard (Department of Physics & Astronomy en la University College London, Reino Unido; RAL Space en el Rutherford Appleton Laboratory, Reino Unido), M. J. Barlow (Department of Physics & Astronomy en la University College London, Reino Unido), G. C. van de Steene (Royal Observatory of Belgium, Bélgica), M. A. T. Groenewegen (Royal Observatory of Belgium, Bélgica), F. Kerschbaum (Department of Astrophysics en la University of Vienna, Austria), T. L. Lim (RAL Space en el Rutherford Appleton Laboratory, Reino Unido), F. Lique (CNRS-Université du Havre, Francia), M. Matsuura (Department of Physics & Astronomy en la University College London, Reino Unido), C. Pearson (RAL Space en el Rutherford Appleton Laboratory, Reino Unido; Department of Physics and Astronomy en la The Open University, Reino Unido), E. T. Polehampton (RAL Space en el Rutherford Appleton Laboratory, Reino Unido; Dept. of Physics & Astronomy en el Institute for Space Imaging Science en la University of Lethbridge, Canadá), P. Royer (Institute of Astrophysics, Bélgica) y T. Ueta (Department of Physics and Astronomy en la University of Denver, Estados Unidos; Institute of Space and Astronautical Science en la Japan Aerospace Exploration Agency, Japón).

El equipo de investigación holandés está formado por: I. Aleman (Leiden Observatory en la University of Leiden, Holanda), T. Ueta (Department of Physics and Astronomy en la University of Denver, Estados Unidos; Institute of Space and Astronautical Science en la Japan Aerospace Exploration Agency, Japón), D. Ladjal (Department of Physics and Astronomy en la University of Denver, Estados Unidos), K. M. Exter (Instituut voor Sterrenkunde en la Katholieke Universiteit Leuven, Bélgica), J. H. Kastner (Chester F. Carlson Center for Imaging Science and Laboratory for Multiwavelength Astrophysics en el Rochester Institute of Technology, Estados Unidos), R. Montez Jr. (Department of Physics and Astronomy en la Vanderbilt University, Estados Unidos), A. G. G. M. Tielens (Leiden Observatory en la University of Leiden, Holanda), Y.-H. Chu (Department of Astronomy en la University of Illinois, Estados Unidos), H. Izumiura (Okayama Astrophysical Observatory en el National Astronomical Observatory of Japan, Japón), I. McDonald (Jodrell Bank Centre for Astrophysics en la University of Manchester, Reino Unido), R. Sahai (Jet Propulsion Laboratory en el California Institute of Technology, Estados Unidos), N. Siódmiak (N. Copernicus Astronomical Center, Polonia), R. Szczerba (N. Copernicus Astronomical Center, Polonia), P. A. M. van Hoof (Royal Observatory of Belgium, Bélgica), E. Villaver (Dpto. Física Teórica en la Universidad Autónoma de Madrid, Madrid), W. Vlemmings (Department of Earth and Space Sciences en la Chalmers University of Technology, Suecia), M. Wittkowski (ESO, Alemania) y A. A. Zijlstra (Jodrell Bank Centre for Astrophysics en la The University of Manchester, Reino Unido).

Nota de prensa (ASTROMOL):

Descubierta la presencia de la molécula OH+ en torno a estrellas moribundas

Nota de prensa (Herschel):
New molecules around old stars

Artículos científicos relacionados:

- "Herschel spectral-mapping of the Helix nebula (NGC 7293): extended CO photodissociation and OH⁺ emission" (M. Etxaluze et al.)

- "First detection of OH⁺ in planetary nebula" (I. Aleman et al.)

Referencias:

ASTROMOL

Herschel

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Ecografía de ALMA

Sabemos que las estrellas con masas superiores a 10 veces la del Sol (estrellas masivas), se forman en grandes nubes oscuras y frías envueltas de polvo y un tanto de misterio ya que no se sabe con certeza que sucede dentro de este conglomerado de gas y polvo. Por lo tanto, para intuir cómo va a ser el nacimiento de una estrella hacen falta unas ecografías muy complejas. Pero ahora, tenemos el instrumental para hacer ese tipo de trabajos: ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array).

Un equipo de astrónomos liderado por Nicolas Peretto, del CEA/AIM Paris-Saclay (Francia) y de la Universidad de Cardiff (Reino Unido) apostó por este instrumento para realizar una ecografía prenatal en el rango de las microondas, y el resultado ha sido la imagen más clara de la formación de una estrella masiva, en este caso, situada a unos 11.000 años luz en una nube conocida como SDC 335.579-0.292, dentro de los límites de la constelación de la Norma.

Previamente, observaciones del telescopio espacial Spitzer de la NASA y del observatorio espacial Herschel de la ESA, SDC 335.579-0.292 se mostró como una nube oscura cruzada por densos filamentos de gas y polvo. A raíz de esto, se concluyeron dos teorías para la formación de estrellas masivas:

- La nube se fragmenta y crea núcleos que colapsan por sí mismos para formar estrellas.
- La nube colapsa sobre sí misma formando una o varias estrellas masivas.

Ahora, con ALMA, han visto en detalle la cantidad de polvo y el movimiento del gas, desplazándose hasta el interior de la nube, descubriendo así la formación de un verdadero gigante estelar.

Imagen combinada con datos de ALMA y del Telescopio Espacial Spitzer de la NASA de la nube oscura SDC 335.579-0.292. Créditos: ALMA (ESO/NRAJ/NRAO)/NASA/Spitzer/JPL-Caltech/GLIMPSE

“Las extraordinarias observaciones de ALMA nos permitieron obtener la primera visión realmente profunda de lo que estaba ocurriendo en el interior de esa nube”, declara Peretto. De hecho, han conseguido observar el núcleo protoestelar más grande de todos los que se han localizado hasta ahora en la Vía Láctea.

Ana Duarte Cabral, del Laboratorio de Astrofísica de Bordeaux (Francia) y miembro del equipo, insiste en que "las observaciones de ALMA revelan los espectaculares detalles de los movimientos de la red de filamentos de polvo y gas, y muestran que una enorme cantidad de gas está fluyendo hacia una compacta zona central”.

Composición de la región de formación de estrellas masivas SDC 335.579-0.292 tal y como la han captado el Telescopio Espacial Spitzer de la NASA y ALMA. La visión de Spitzer está captada en longitudes de onda del rango infrarrojo de la luz (3,6; 4,5; y 8,0 micras) y la visión de ALMA está hecha en longitudes de onda de alrededor de 3 mm. La burbuja amarilla del centro de la imagen de ALMA es un útero estelar con más de 500 veces la masa del Sol. Créditos: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/NASA/JPL-Caltech/GLIMPSE

Para hacernos una idea del tamaño, el embrión estelar tiene unas 500 veces la masa del Sol, además de más material en sus proximidades que están alimentando esta protoestrella y aumentando su tamaño todavía más. Cuando todo este material colapse, formará una estrella con una masa aproximada de unas 100 veces la de nuestro Sol. Algo realmente raro, ya que tan sólo una de cada 10.000 estrellas de nuestra galaxia adquiere ese tamaño.

Mapa de la constelación austral de Norma. La ubicación de la nube oscura de formación estelar SDC 335.579-0.292 se indica con un círculo rojo. Créditos: ESO, IAU and Sky & Telescope.

"Estas estrellas no son solo poco comunes, sino que su nacimiento es extremadamente rápido y su infancia muy corta, con lo que encontrar un objeto tan masivo en una etapa tan temprana de su evolución es un resultado espectacular", añade Gary Fuller, de la Universidad de Manchester (Reino Unido).

“ALMA va a revolucionar nuestro conocimiento de la formación estelar, solucionando algunos problemas actuales, y sin duda dando lugar a otros nuevos”, concluye Peretto.

Esta investigación se presentó en el artículo con el título “Global collapse of molecular clouds as a formation mechanism for the most massive stars”, que aparece en la revista Astronomy & Astrophysics.

El equipo está compuesto por N. Peretto (CEA/AIM Paris Saclay, Francia; Universidad de Cardiff, Reino Unido), G. A. Fuller (Universidad de Manchester, Reino Unido; Centro de Astrofísica Jodrell Bank y Centro Regional para ALMA del Reino Unido), A. Duarte-Cabral (LAB, OASU, Universidad de Bordeaux, CNRS, Francia), A. Avison (Universidad de Manchester, Reino Unido; Centro Regional para ALMA del Reino Unido), P. Hennebelle (CEA/AIM Paris Saclay, Francia), J. E. Pineda (Universidad de Manchester, Reino Unido; Centro Regional para ALMA del Reino Unido; ESO, Garching, Alemania), Ph. André (CEA/AIM Paris Saclay, Francia), S. Bontemps (LAB, OASU, Universidad de Bordeaux, CNRS, Francia), F. Motte (CEA/AIM Paris Saclay, Francia), N. Schneider (LAB, OASU, Universidad de Bordeaux, CNRS, Francia) y S. Molinari (INAF, Roma, Italia).

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Herschel cierra los ojos

El 14 de mayo de 2009 la ESA lanzó un Ariane 5 al espacio con dos valiosas cargas en su interior: El Observatorio Espacial Herschel y el Observatorio Espacial Planck. Sus objetivos eran analizar el universo frío y analizar las anisotropías del fondo cósmico de microondas, respectivamente.

Hoy toca hablar del primero de ellos porque el Herschel ha dado por finalizada su misión. Herschel, ha cerrado sus ojos al universo.

#EndOfOperations

Hace unas semanas, la ESA avisaba que el Observatorio Espacial Herschel podría cesar su actividad científica en cualquier momento ya que sus reservas de helio líquido estaban casi agotadas. Sin la refrigeración necesaria que proporciona este elemento -cercana al cero absoluto- las medidas que proporcionan sus instrumentos carecen de la precisión científica que se requiere.

Tweet de @esaoperations anunciando el envío del comando que pondría fin a las operaciones del Herschel.

Los 2300 litros de helio en el momento del despegue le ofrecía una vida de operaciones de unos 3 años y medio, esto es, hasta finales de 2012 aproximadamente. Estas estimaciones suelen hacerse a la baja (aunque en el caso de la ESA son más realistas que la NASA), por lo tanto el tiempo de vida útil ha sido  ligeramente superior al esperado.

Y fue ayer cuando Martin Kessler, gerente de la misión, envió la orden de apagado al Herschel para que finalizara su misión.

El universo frío

El universo frío es aquel que no tiene la suficiente temperatura como para emitir radiación visible, pero sí en el rango de los infrarrojos. El Herschel ha estudiado este tipo de universo, de hecho, ha sido el primer telescopio en cubrir todo el rango del infrarrojo.

Martin Kessler enviando el último comando al Observatorio Espacial Herschel. Créditos: ESA.

Con este rango del espectro electromagnético, el Herschel ha estudiado el origen y evolución de estrellas y galaxias como nunca antes se había visto, ya que las nubes de polvo que nos impiden ver qué hay detrás o la falta de emisión en rangos perceptibles por otros instrumentos nos impedían hacer un análisis completo.

Y ahora, los datos que ha obtenido han ayudado a complementar lo que nos faltaba para comprender más completamente el proceso de creación y evolución de estrellas y galaxias.

Herschel en cifras

Desde el día del despegue hasta el día de su desactivación, el Herschel ha estado 1495 días en el espacio. Durante este tiempo ha realizado 35000 observaciones científicas (más de 20 al día).

De los 1495 días en el espacio, Herschel ha acumulado unos 1040 días de observaciones científicas y 83 días a calibración. El resto estuvieron destinados a tareas de mantenimiento y puesta a punto.

Tal vez Herschel no ha tenido tanta repercusión mediática como debiera, pero bastaba echar un vistazo a la página de operaciones de la ESA para darse cuenta de todo lo que iba haciendo, y se puede decir con la cabeza bien alta que ha sido realmente muy productivo.

Aunque Herschel se haya apagado, hay datos que ha proporcionado que todavía no se han terminado de analizar, así que, de manera póstuma, seguro que nos ofrece nuevos datos relevantes y sorprendentes del universo frío.

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