HALO 7D: Observando las 7 dimensiones de la Vía Láctea

• Titulo: HALO7D I: The Line of Sight Velocities of Distant Main Sequence Stars in the Milky Way Halo.
• Autores: Emily C. Cunningham, Alis J. Deason, Constance M. Rockosi, Puragra Guhathakurta, Zachary G. Jennings, Evan N. Kirby, Elisa Toloba, Guillermo Barro
• Institución del primer autor: Department of Astronomy & Astrophysics, University of California, Santa Cruz.
• Estado: Disponible en arXiv en Septiembre 2018, enviado a ApJ.

Usualmente es normal escuchar de múltiples dimensiones a colegas que estudian agujeros negros, teorías de cuerdas y física teórica. ¡Pues en astronomía también hay más dimensiones!  y a diferencia de estos otros campos son un poco más fáciles de medir. En el astrobito de hoy vamos a hablar de cómo se miden las 7 dimensiones de la Vía Láctea.

Pero antes recordemos los componentes básicos de nuestra galaxia. Sabemos que la Vía Láctea es una de disco de estrellas con múltiples brazos espirales y en cuyo centro hay una barra. Pero aún hay más, al rededor del disco hay una nube de estrellas que componen el halo estelar. Se estima que este halo de estrellas esta conformado por el 1% de las estrellas de la Vía Láctea distribuidas desde el centro de la galaxia hasta grandes distancias de 200 kpc o más.  Y finalmente se intuye que hay un halo de materia oscura el cual aún no se ha podido observar

El halo estelar que tan solo esta compuesto del 1% de todas las estrellas de la Vía Láctea tiene información muy importante de cómo esta se formó. Recordemos que las galaxias crecen fusionándose con otras galaxias y durante esta interacción las estrellas que son arrancadas por las fuerzas gravitacionales quedan orbitando en el halo estelar (ver video de una simulación ilustrando este proceso). Por ejemplo, la Vía Láctea está en el proceso de devorar a una galaxia enana llamada Sagitario y esto se sabe porque en el halo estelar se observan las estrellas que eran de Sagitario y que ahora pertenecen a la Vía Láctea. La Figura 1 muestra una imagen del Sloan Digitial Sky Survey (SDSS) del cielo del norte. Un camino de estrellas en la parte baja de la imagen resalta inmediatamente a los ojos, esos son los rastros de Sagitario (Sagittarius stream). Pero en el halo estelar hay mucha más información de como se ha ido formando nuestra galaxia.

Figura 1: Camino de estrellas dejado por la galaxia enana Sagitario en el cielo del Norte. Crédito de la imagen: Ana Bonaca, Marla Geha and Nitya Kallivayalil with data from the Sloan Digital Sky Survey

El artículo de hoy, se trata de un verdadero ejemplo de lo que hace un arqueóloga galáctica.  Los autores se embarcan en la difícil tarea de encontrar las estrellas del halo que sirven como evidencias (tipo fósiles) de como se formó nuestra galaxia. Para esto no solo hay que encontrar estas estrellas lejanas en el halo estelar sino también de medir sus 7 dimensiones: posiciones (x, y, z), velocidades (v_x, v_y, v_z) y metalicidad (de aquí el nombre del proyecto HALO7D).

¿Y por qué se necesitan 7 dimensiones? La razón es que para encontrar asociaciones de estrellas lo más fácil es encontrarlas en el espacio de fase (sí, el mismo que se aprende en mecánica clásica) ya que las estrellas que pertenecían a una galaxia pueden estar distribuidas por grandes extensiones en el halo estelar pero aún así sus velocidades son similares. Sin embargo, después de un tiempo (conocido como tiempo de relajación) las velocidades de las estrellas no son tan coherentes y por eso tener información de la 7 dimensión es muy útil. Pues las estrellas que eran de una galaxia tienen metalicidades similares.  Y así en estas 7 dimensiones es más fácil encontrar los fósiles de la formación de la Vía Láctea.

Figura 2: Distribución de estrellas en el campo EGS tomado por el telescopio espacial Hubble. Crédito de la imagen: Cunningham et al 2018.

Para observar estas 7 dimensiones no es fácil. Primero hay que encontrar estrellas que al estar muy lejos son muy tenues, luego hay que medir sus velocidades y metalicidades. Para esta ardua tarea hay que utilizar los telescopios más poderosos del mundo. Para encontrar las estrellas y medir dos componentes de las velocidades los autores utilizaron datos del Telescopio Espacial Hubble (HST por sus siglas en inglés). HST a observado regiones del cielo por mucho tiempo para estudiar las galaxias más distantes del Universo, el artículo de hoy usa 4 de esas regiones COSMOS, EGS, GOODS norte y GOODS sur.  Estas regiones del cielo han sido observadas varias veces por lo que se pueden estudiar los movimientos propios de las estrellas y de estos derivar dos componentes de las velocidades.

Para obtener la otra componente de la velocidad, la velocidad  a lo largo de la linea de visión y las metalicidades, se necesita tomar espectros de cada estrella. Para esto se utilizó el espectrógrafo DEIMOS del telescopio Keck II de 10 m que está en la isla grande de Hawái.

La Figura 2 muestra la distribución espacial de la región EGS. Las regiones en morado representan las observaciones hechas con DEIMOS, las regiones en gris son todas las observaciones que ha hecho HST en EGS. Los círculos muestran las estrellas que hay en la región. Los círculos rellenos son estrellas que ya han sido observadas con DEIMOS. Pero, ¿cómo se seleccionan estas estrellas? y para empezar ¿cómo se saben que son estrellas y no galaxias muy muy lejanas?

Figura 3: Diagrama color-magnitud de la región COSMOS tomada por el telescopio espacial Hubble. Las estrellas dentro del cuadrado azul hacen parte de las estrellas del halo estelar de la Vía Láctea. Crédito de la imagen: Cunningham et al 2018.

Las estrellas se pueden diferencias de las galaxias por medio de su espectro. Sin embargo, para lograr obtener un espectro de todas las estrellas y galaxias en estas regiones toma mucho tiempo por lo que no es siempre posible de hacer. Un método más rápido pero menos preciso es tomar imágenes en ciertas longitudes de onda y con estas se clasifican galaxias de estrellas. Esto ya ha sido hecho para estas regiones por los astrónomos que buscaban galaxias.

El paso final es entonces separar las estrellas del halo de las del disco. Esto se hace mirando el diagrama color magnitud de las estrellas de la Vía Láctea. En este diagrama se clasifican las estrellas por su temperatura (eje x) y su luminosidad (eje y) ver Figura 3. Las estrellas del Halo estelar están localizadas en el cuadro azul. ¿Por qué? Es aquí cuando las simulaciones y entender la teoría entran en juego.

Una vez seleccionadas las estrellas del Halo estelar estas son observadas en el Keck II. El artículo de hoy, es el primero de una serie de artículos que están por publicarse y en el se presentan los resultados de las velocidades en la linea de visión. Estas mediciones son sumamente complicadas pues como se podrán imaginar para medir las velocidad en la linea de visión se mide el movimiento relativo de las lineas de emisión en el espectro causado por el efecto Doppler. Por ejemplo, una de las lineas más prominentes es la linea del Hidrógeno, Hα, que en reposo se emite a 656.28 nm sin embargo si la estrella esta alejándose de nosotros esta linea se observara a longitudes de onda más largas. Por lo tanto, medir con precisión las lineas de emisión en los espectros es muy importante para saber la velocidad en la linea de visión de las estrellas del halo. Los autores utilizaron modelos estadísticos avanzados como estadística Bayesiana y cadenas de Markov para medir estas velocidades.

La Figura 4 muestra la histogramas de la probabilidad a posteriori (así se presentan los resultados en estadística Bayesiana) las mediciones de las velocidades, su dispersión y la fracción de contaminación por estrellas del disco.  La distribución de velocidades de las estrellas en estas regiones son consistentes con dos hipótesis basadas en simulaciones previas: 1)  vienen de alguna galaxia masiva que se fusionó con la Vía Láctea hace mucho tiempo o 2) de una colección de galaxias enanas que también se fusionaron hace mucho tiempo.

Figura 4: Resultados de HALO 7D. Izquierda: Distribución de velocidades a lo largo de la linea de visión. Medio: Dispersión de velocidades. Derecha: Fracción de las estrellas del disco en cada región. Crédito de la imagen: Cunningham et al 2018.

Halo 7D hace parte de múltiples esfuerzos por explorar la región menos observada de la Vía Láctea. El satélite GAIA ya medido más de 1 billón de estrellas, en su mayoría del disco de la Vía Láctea. Y ya está en construcción el Large Synoptic Survey Telescope (LSST) el cual va a medir movimientos propios de estrellas muy lejanas en el halo estelar. ¡Así que los estudios del halo estelar van a ser muy emocionantes en la próxima década!