¡A estas galaxias les faltan metales!

• Título del artículo original: “Metal Deficiency in Two Massive Dead Galaxies at z ~ 2”
• Autores: T. Morishita, L. Abramson, T. Treu, X. Wang, G. Brammer, P. Kelly, M. Stiavelli, T. Jones, K. Schmidt, M. Trenti, B. Vulcani
• Institución del primer autor: Space Telescope Science Institute, Baltimore, Estados Unidos.
• Estado de la publicación: Publicado en Astrophysical Journal Letters el 18 de Marzo de 2018.

Cuando miramos a las profundidades del universo, los objetos que se encuentran más lejos son también más jóvenes porque su luz ha tardado millones de años en llegar a nosotros. En su viaje, la luz se vuelve un poco más roja y podemos usar ese corrimiento al rojo, o redshift en inglés, para medir distancias en el universo. Observar galaxias a distintas distancias es como tener fotografías de ellas a distintas edades, y con ello, intentamos reconstruir la evolución de las galaxias en el universo. Por ejemplo, se piensa que las galaxias elípticas más cercanas (a redshift z~0) son descendientes de las galaxias elípticas más lejanas  (a redshift z>1). Una forma de estudiar la evolución galáctica es usando su composición química o metalicidad. Sabemos que los elementos más pesados son fabricados en el núcleo de las estrellas y una vez que las estrellas mueren, estos metales son depositados en el medio interestelar, enriqueciendo la composición química de la galaxia.

Dado que las galaxias elípticas están ‘muertas’ – o sea que no están formando nuevas estrellas debido a su falta de gas- se deduce que las galaxias elípticas han mantenido su metalicidad constante a través de millones de años. Esto se apoya además en observaciones que sugieren que estas galaxias a redshift z~2 y a redshift z~0 poseen masas similares. Por esto, los actuales modelos de evolución de las galaxias elípticas masivas involucran la fusión con galaxias menores que no contienen una gran cantidad de gas, ya que así se podría explicar la metalicidad constante. Este tipo de colisión es llamado ‘fusión seca’ (dry merger en inglés) donde el adjetivo ‘seca’ hace referencia a la ausencia de gas. Si éste es el caso, la metalicidad de las galaxias progenitoras – las galaxias lejanas a redshift z~2 – tendría que ser por lo menos igual a la de las galaxias elípticas que nos rodean a redshift z~0.

Figura 1: Gráfico con las metalicidades en función del redshift – recuerda que el redshift mide distancia, por lo que también es una medida de qué tan atrás en el tiempo estamos mirando. Esta es la figura 3 del paper original y muestra las mediciones de distintas galaxias hechas por distintos grupos. Los cuadrados rojos son las mediciones de este trabajo.

Ahora el problema es que este escenario presenta algunas fallas. Distintos grupos han mostrado que el acrecimiento de galaxias menores a través de la historia de una galaxia elíptica no es suficiente para alcanzar el tamaño actual de las galaxias cercanas. Además algunas galaxias muestran metalicidades que no pueden ser explicadas por la acreción de galaxias menores. Esto es lo que motiva la búsqueda de más especímenes que puedan poblar el espacio de metalicidades y masas de las galaxias elípticas lejanas.

Este artículo que hoy analizamos en particular muestra el hallazgo de dos galaxias a redshift z~2.2 que presentan un 30-40% de la metalicidad solar, muy por debajo de lo esperado. Si miras ahora la figura 1, verás que los cuadrados rojos que representan la metalicidad de las galaxias halladas y notarás que están por debajo del resto de las metalicidades de galaxias masivas a redshift z~2.

Figura 2: Imagen del campo donde se encuentran las galaxias del estudio que hoy analizamos. La imagen es pertenece al Digital Sky Survey (STScI/NASA) y fue obtenida desde SIMBAD.

Figura 3: Imagen del campo de la figura 2 obtenida por HST. Créditos: NASA, ESA, M. Postman (STScI) y el equipo CLASH.

Antes de describir los datos que obtuvieron, te invito a mirar la figura 2. En esta figura se muestra una imagen del campo en donde se encuentran las galaxias encontradas ¿Las ves? ¡Exacto! No están. Eso es porque las galaxias son muy tenues y se necesita más tiempo de exposición que el que tuvieron en esta imagen. Ahora mira la figura 3; la imagen tomada por el telescopio espacial Hubble (HST) muestra un hermoso cúmulo de galaxias. ¡Es la misma porción de cielo pero con más tiempo de exposición! Otro factor clave es que el cúmulo de galaxias genera el lente gravitacional actuando como una lupa, magnificando las fuentes que se encuentras atrás de él. ¡Por eso los autores usaron este campo! Posee un lente gravitacional que magnifica las galaxias y ha sido estudiado en diferentes ocasiones por diferentes telescopios. Finalmente usaron datos en 17 bandas y el espectro de Hubble. Todos esos datos para poder determinar la metalicidad de las galaxias con alta precisión. Si te interesó eso de los lentes gravitacionales ¡En este astrobito puedes encontrar más información!

Figura 4: Gráfico con los datos de cada galaxia. Los puntos rojos representan la fotometría mientras que las líneas naranjas representan el espectro obtenido con HST. Las líneas grises representan los diferentes modelos asociados a las diferentes metalicidades. Ésta es la figura 1 del artículo original.

Ahora mira los datos en la figura 4; los círculos rojos representan las mediciones en cada una de las 17 bandas y la línea naranja representa el espectro obtenido por el HST. Las líneas grises representan los distintos modelos de galaxias ajustados a los datos, con una metalicidad diferente.

La idea del modelo es generar una galaxia artificial que se parezca lo más posible a la galaxia que estamos observando. Por eso se necesitan observaciones en muchas bandas, ya que mientras más datos se tengan, más fácil es distinguir qué modelo se ajusta mejor ¿Qué cómo se fabrican los modelos? Para hacer una galaxia sintética, se usa el espectro de diferentes estrellas. Por ejemplo, una estrella tipo O es más azul que una estrella tipo A, por lo que una galaxia más roja tendría más estrellas tipo A que tipo O. Así entonces, usando librerías que contienen el espectro de distintas estrellas, es posible determinar la población estelar de la galaxia y otras características, como la metalicidad. ¡Puedes encontrar más detalles en este astrobito!

Si las suposiciones y los modelos utilizados son correctos, las nuevas metalicidades encontradas desafían al modelo que recurre a la acreción de galaxias menores, al menos si éstas no contienen cantidades de polvo mayores de lo que se piensa. Por lo mismo los autores exploran nuevos horizontes con la esperanza de poder dar una explicación plausible para este fenómeno.

• La primera posibilidad que proponen los autores es que este tipo galaxias pase por un proceso de fusión con otra galaxia de masa similar – en vez de una acreción menor – y de metalicidad mayor para eventualmente quedar equilibrada y con metalicidades similares a las galaxias de redshift z~0. Recordemos que se piensa que estas galaxias lejanas son las progenitoras de las galaxias que están más cerca, por lo que su proceso evolutivo aún no ha terminado y existe la posibilidad de que la galaxia pase por un proceso de fusión.
• Otro posible escenario es que la galaxia acrete más gas para reactivar la formación estelar y aumentar así su metalicidad. Esto puede ocurrir mediante acreción de galaxias con gas – conocido como ‘wet merger’ en inglés – o por la acreción de gas cósmico.
• Una tercera posibilidad es que la galaxia se quede tal y como está y que la galaxia que desciende de esta sea una galaxia de baja metalicidad.

La situación aún no está clara, por lo que se necesitan más ejemplos de galaxias a redshift z~2 y una más estudios espectroscópicos de galaxias cercanas para poder resolver el enigma de la evolución de las galaxias elípticas. ¡Así que sigue atento a la evolución de este dinámico campo de la astronomía!