Contemplando el Abismo: Detección de una de las primeras Galaxias

Astrobite Original: Gazing into the Abyss: Detecting One of the First Galaxies
Título: Keck/MOSFIRE Spectroscopy of z = 7-8 Galaxies: Lyman-alpha Emission from a Galaxy at z = 7.66
Autores: M. Song, et al.
Institución del primer autor: Universidad de Texas, Austin, Texas.
Estatus del Paper: Sometido a ApJ

Encontrar las primeras galaxias que se formaron en el Universo es como buscar una aguja en un pajar, con la excepción de que la aguja es virtualmente invisible y el pajar es del tamaño de todo el Universo. A los científicos suelen gustarle los retos y algunos intrépidos astrónomos han encontrado la galaxia más distante encontrada hasta la fecha. La mejor herramienta para estudiar galaxias distantes es la emisión de la línea Lyman-alfa, denotada como Lyα, una fuerte y fácilmente observable línea emitida a 1216 Å (1 Å= 1 x 10^-10 m) que es creada por fotones emitidos en las regiones vastamente abastecidas de hidrogeno en las galaxias. Lyα actua como un faro para los astrónomos que buscan las primeras galaxias formadas justo después del big bang. Los autores del paper han encontrado la tercera galaxia más distante (o al redshift/corrimiento al rojo más alto) a la fecha, encontrando su emisión de Lyα. Esta galaxia tiene un redshift de z = 7.66. En otras palabras, ¡observar esta galaxia es como observar hacia el pasado 13 mil millones de años!

Por supuesto, encontrar una galaxia a un redshift tan alto como ese no es una tarea simple. El primer paso fue seleccionar una muestra inicial de galaxias. Estas galaxias fueron encontradas en una region del cielo observado por el Great Observatories Origins Deep Survey South (GOODS-S, o como se le llamaría en español, el Survey Sur de Origen Profundo de los Grandes Observatorios). Este es en realidad un survey conformado por observaciones de Hubble, Spitzer, Herschel, Chandra y XMM-Newton, dando a los astrónomos una vista de una región del cielo en longitudes de onda desde los rayos X hasta el lejano infrarojo. Usanto la fotometría de estas observaciones, los autores pudieron identificar 12 galaxias con potencial de encontrarse a redshift z = 7 – 8. Con esta muestra de candidatos, los autores fueron al telescopio para ver cual de estas galaxias podria confirmarse a se una de las primeras galaxias.

El instrumento elegido para corroborar el redshift de las galaxias fue el Multi-Object Spectrometer For Infra-Red Exploration (MOSFIRE, que se traduce como Espectrómetro Multi-Objeto para la Exploración en Infrarojo), que esta localizado en el telescopio de 10 metros del Keck en Mauna Kea, Hawaii. Los autores básicamente observaron estas galaxias por cuatro noches, una de las más profundas (y largas) observaciones hechas para galaxias a z ~ 7. La razón para buscar en el espectro infrarojo una línea que debería encontrarse en el una longitud de onda en el ultravioleta como es la línea de emisión 1216 Å Lyα es debido a que las galaxias están tan distantes que las líneas estan corridas al rojo tanto que deben aparecer en el rango IR del espectro. En objetos distantes, la longitud de onda de las líneas de emisión estan desplazadas hacía el lado rojo del espectro debido al efecto Doppler causado por la expansión del Universo. De estas medidas, se logró confirmar que una de las galaxias de la muestra original tiene una significativa emision a una longitud de onda de 10532 Å. El espectro de esta galaxia es mostrado en la Figura 1, donde el ajuste de la línea Lyα es mostrado en rojo.

Figura 1: Espectro de una galaxia a z = 7.66 con una línea de emisión de Lyman-alfa. La figura del panel superior es el espectro 2D que resulta de la exposicion original del telescopio sobre la cámara (donde el eje x es la dirección de longitud de onda y el y es la dirección física del objeto), mientras que la del panel inferior es el espectro 1D; en negro se presenta el espectro mientras que en rojo es mostrado el mejor ajuste de línea debido a Lyα. La región gris en la parte inferior de ese panel representa el espectro de cielo, el cual denota partes del espectro bloqueadas por emisión de la atmósfera que podría contaminar el espectro proveniente de la galaxia. Las caja azul muestra la detección individual para cada una de las 4 noches observadas aquí. Figura 1 del artículo técnico.

Claro, lo primero que se podría pensar es ¿cómo saben los astrónomos que esta emisión corresponde la línea de Lyα desplazada a un alto redhsift, y no a la emisión de una galaxia a bajo redshift con una diferente línea de emisión? Por ejemplo, el oxígeno doblemente ionizado (denotado por [O III]) emite una línea de emisión a 5007 Å, que se encuentra en la parte visible del espectro (a diferencia de Lyα que esta en el ultravioleta). Si la emisión de esta galaxia fuera en realidad debido a esta línea, entonces la emisión observada a 10532 Å podría deberse realmente a una galaxia a un redshift de z = 1.10. ¿Cómo podemos dicernir entre estos casos? La manera más fácil es buscar si hay otras líneas de emisión en el visible que normalmente acompañan a la línea de [O III]. Una de estas es otra línea de hidrógeno, Hβ, que se encuentra muy cerca de la línea de [O III], y que, si lo que observamos es efectivamente líneas en el visible, deberían aparecer también en el espectro de esta galaxia. Sin embargo, dado que no se encontró una emisión debido a Hβ, esta posibilidad fue descartada. Después de descartar otras posibles fuentes de contaminación, los autores determinaron que la emisión de Lyα a un redshift muy alto es la explicación más probable a la señal detectada.

Encontrar este tipo de galaxias es extremadamente importante debido a que solo una muestra suficientemente alta de galaxias en esa era cosmológica puede ayudarnos a entender como Lyα es emitido en los primeros estadios de evolución de las galaxias. Adicionalmente, la busqueda de Lyα de galaxias en el Universo temprano puede también darnos pistas acerca de la historia de la reionización del Universo. Los astrónomos están empezando a arrinconar estas dudas, y los autores de este artículo han realizado una significante contribución para responderlas.