La galaxia más lejana confirmada hasta hoy

• Título: Lyα emission from a luminous z=8.68 galaxy: implications for galaxies as tracers of cosmic reionization.
• Autores: Adi Zitrin, Ivo Labbé, Sirio Belli, Rychard Bouwens, Richard S. Ellis, Gudis Roberts-Borsani, Daniel P. Stark, Pascal A. Oesch, and Rensje Smit.
• Institución del primer autor: Cahill Center for Astronomy and Astrophysics, California Institute of Technology, Pasadena, CA, Estados Unidos.
• Estatus: Publicado en ApJ.

Estudiar el Universo a edades más tempranas es un desafío. Una de las razones es que las observaciones se hacen cada vez más complicadas a medida que miramos hacia atrás en el tiempo. En particular, esto sucede con las detecciones y observaciones de galaxias a alto redshift, ya que, por su lejanía, vemos a la mayoría de ellas como objetos débiles, aunque intrínsecamente no lo sean. Numerosos esfuerzos han sido realizados en los últimos años para ampliar nuestro límite observacional y ser capaces de detectar galaxias cada vez más débiles. En esta línea, el artículo de hoy realiza un gran avance: observa la galaxia más lejana confirmada hasta hoy.

Observando las primeras galaxias

La mayoría de las observaciones de galaxias lejanas se han llevado a cabo con el telescopio espacial Hubble, usando principalmente dos técnicas. La primera es realizando exposiciones largas o más profundas que recolectan más luz, permitiendo observar objetos más débiles. La segunda es observando campos que contienen cúmulos de galaxias, los que, debido a su alta masa, actúan como lentes gravitacionales, magnificando el flujo de luz que recibimos de los objetos que están detrás de estos cúmulos. Estas observaciones con Hubble nos entregan los llamados candidatos fotométricos, que son galaxias a las que se les asigna un redshift dependiendo de la luminosidad a ciertas longitudes de onda, o colores. Sin embargo, para confirmar que estas galaxias son tal, se necesita tomar espectros de ellas, tarea que se vuelve aún más complicada.

En los últimos años, estamos logrando identificar galaxias fotométricamente hasta redshift 10-11 aproximadamente (aproximadamente 465-400 mega años desde el Big Bang). Sin embargo, la confirmación espectroscópica ha llegado hasta redshift 7 aproximadamente (cuando el Universo tenía alrededor de 750 mega años), siendo estos objetos sólo unos pocos. Este tiempo, o redshift, es importante, ya que es cuando el proceso de Reionización estaba ocurriendo. Es importante notar que redshift 0 corresponde al período actual, y redshift 1 corresponde a la mitad de la edad del Universo (esta medida no es lineal).

Figura 1: El proceso de Reionización se cree que se produjo por la ionización del gas alrededor de los primeros objetos, formando una suerte de burbujas. Estas burbujas se fueron haciendo más comunes y abarcando más área hasta que todo el Universo estuvo ionizado. Esta es una impresión artística de este proceso. Crédito: NASA/STScI

Reionización

La Reionización del Universo se cree que comenzó a redshift 12 (siendo este límite no muy claro) y se terminó a redshift 6, y es el proceso durante el cual el hidrógeno en el medio intergaláctico pasó de ser neutro a estar ionizado. Este campo de estudio es actualmente muy activo. Los causantes de este proceso no están completamente claros, pudiendo ser las galaxias con núcleo activo, u otro tipo de galaxias primordiales. Estas galaxias primordiales tendrían estrellas muy masivas y calientes que habrían ionizado sus alrededores. La teoría más aceptada actualmente propone que esto se habría producido en  burbujas alrededor de estos objetos, las cuales se cree que crecieron hasta juntarse con las otras burbujas y finalmente ionizar todo el medio (la figura 1 muestra una representación artística de este proceso).

Observar las galaxias durante este tiempo, nos entrega pistas sobre cómo se produjo este proceso en mayor detalle. Para estudiarlo, lo que se hace es tomar espectroscopía de estas galaxias y tratar de encontrar la línea de emisión Lyman alfa. En los espectros de galaxias, esta línea indica que la emisión ultravioleta de estrellas nuevas ha aumentado la temperatura del gas de hidrógeno, y es normalmente un indicador de formación estelar. Esta es una línea que representa una transición resonante, por lo que es absorbida por la presencia de gas en estado neutral, impidiendo su observación. Esto significa que si la observamos, el medio en el que esa galaxia está inmerso, está ionizado. El no observarla, sin embargo, no implica lo contrario, ya que no todas las galaxias se espera que tengan presenten esta línea de emisión. Los intentos por observar esta línea en galaxias que se cree están a redshift mayor que 7 son muchos, pero las detecciones exitosas son sólo un pequeño porcentaje. No obstante, debido, en parte, al poco entendimiento que se tiene de la Reionización, esto no indica que el medio no esté ionizado. Resulta interesante que la mayoría de las galaxias confirmadas a este redshift, son galaxias intrínsecamente brillantes.

Figura 2: Galaxia EGS8p7, vista por el telescopio espacial Hubble (imagen central y arriba a la derecha) y el telescopio espacial Spitzer (abajo a la derecha), tomado en el infra-rojo.
Crédito: I. Labbé (Leiden University), NASA/ESA/JPL-Caltech

La galaxia más lejana

En este artículo, los autores son capaces de medir la emisión de Lyman alfa (resultado de la emisión de un átomo de hidrógeno) a un redshift de 8.68 (alrededor de 565 mega años desde el Big Bang), siendo, por lejos, la galaxia a más alto redshift observada hasta hoy, seguida por una galaxia a redshift 7.73 (Oesch et al. 2015). Este es un gran descubrimiento, ¡es la galaxia más antigua que se ha observado!

Esta galaxia fue encontrada con el programa CANDELS, que observó campos de manera profunda con el telescopio espacial Hubble. Fotométricamente, se estimó un redshift de 8.57, y una magnitud de 25.26, que es considerado brillante para esa distancia. El objeto, llamado por los autores EGSY8p7, que vemos en la figura 2, fue posteriormente observado con el instrumento MOSFIRE (Espectrómetro Multi-Objetos para Exploración del Infra-Rojo) del telescopio Keck I en Hawaii, con el que se confirmó su redshift de 8.68. La figura 3 revela una línea prominente a una longitud de onda de 11.776 Angstrom, lo que corresponde al redshift ya mencionado. El nivel al que se mide la línea nos dice que es una detección segura, con una ínfima posibilidad de sólo ser ruido aleatorio. Adicionalmente, fue medida en 2 noches por separado, lo que lo hace una detección aún más confiable.

Figura 3: Detección espectroscópica de la línea de emisión de EGSY8p7 con MOSFIRE. El panel superior muestra el espectro en 2D. Abajo se muestra el espectro 1D crudo (línea negra) y el suavizado (línea azul) y su error (sombra roja). La línea roja muestra un ejemplo del mejor ajuste al modelo. Las líneas punteadas verticales muestran las líneas de OH del cielo. Las flechas muestran las posiciones predichas para detecciones a más bajo redshift. En el panel superior izquierdo se ve un mapa de la señal normalizada extraído con un slit de 6.5 Angstrom y centrado en la línea.  (Figura 1 del artículo).

¿Podría ser ésta la detección de otra línea de emisión correspondiente a una galaxia a más bajo redshift? Los autores exploran esta posibilidad, ajustando un modelo que podría corresponder a una galaxia a redshif 2.16 o 1.4 – ¡mucho menos emocionante! -, pero concluyen que es poco factible, dado que no se observan otras líneas que se esperarían. La única posibilidad es que estas líneas sean “cubiertas” por líneas del cielo, pero es poco probable.

Esta galaxia, más que respuestas, abre muchas preguntas. De acuerdo a los intentos de detecciones previas de galaxias a redshift mayor que 7, casi 100 observaciones han sido hechas dejando sólo unos pocos candidatos, por lo que se espera que a redshift mayor que 8, el medio sea mayoritariamente neutral. ¿Esta nueva galaxia nos indica que esto no es así y la ionización del medio ya era relativamente alta a este redshift? Es posible que los estudios previos no hayan alcanzado las profundidades necesarias en términos de magnitud, por ejemplo. ¿Pertenecen estas galaxias intrínsecamente brillantes a una población distinta que las más débiles y que son capaces de ionizar el medio más efectivamente?

El descubrimiento de esta galaxia abre muchas preguntas, y además amplía el horizonte de mediciones de galaxias a alto redshift. Sin embargo, hay que mencionar que existe la posibilidad que sea una galaxia más cercana o algún otro tipo de contaminante, pero esto se verá confirmado con futuros estudios. Por ahora, tenemos a la galaxia más lejana hasta ahora confirmada.