Arrojando luz sobre la época de la reionización con Ion2

• Título:  Hubble Imaging of the Ionizing Radiation from a Star-Forming Galaxy at z = 3.2 with fesc > 50%
• Autores: E. Vanzella, S. de Barros et al.
• Institución del primer autor: INAF–Osservatorio Astronomico di Bologna, Italia.
• Estado del artículo: enviado a ApJ.
• Astrobite original: Shedding Light on the Epoch of Reionization with Ion2 por Steph Greis

Viendo hacia atrás en el tiempo cósmico, encontramos que cuando el Universo tenía menos de mil millones de años de años de edad, casi toda la luz en él estaba siendo absorbida por átomos de hidrógeno: en su estado neutro los átomos de hidrógeno, el elemento más abundante del cosmos, absorben luz desde el ultravioleta hasta el  infrarrojo. Si la luz que reciben es lo suficientemente energética, esta absorción  puede resultar en la liberación de un electrón, lo que deja ionizado al átomo de hidrógeno. Esto es lo que estaba ocurriendo en el Universo temprano, siendo casi imposible para los fotones escapar antes de ser absorbidos por los átomos de hidrógeno en el gas que rodeaba a las estrellas.

Fig.1 Un diagrama de la historia del Universo mostrando cómo (después de que las primeras estrellas y galaxias empezaran a formarse) el Universo pasó de ser opaco a su estado transparente actual en el que la luz puede viajar libremente. Crédito: NASA/WMAP Science Team

En la jerga astronómica llamamos a esta etapa de la evolución del Universo la “época  de la reionización“, dado que el universo pasó  una transición de ser neutral, donde cada átomo de hidrógeno tenía exactamente un electrón asociado a él, a estar ionizado.  Las primeras estrellas y galaxias empezaron a formarse cuando el Universo tenía unos 400 millones de años de edad. Fue su radiación ionizante ultravioleta la que lentamente cavó agujeros en el hidrógeno neutral que las rodeaba, y en el curso de varios cientos de millones de años cambiaron el estado del cosmos de su estado opaco previo y lo hicieron completamente transparente a la luz. Los fotones de alta energía responsables de este proceso se conocen como “Fotones del continuo del Lymann” o  fotones “LyC” para abreviar y tienen longitudes de onda más cortas que 912 Å (o 91.2 nm).

Estudiando un emisor de continuo de Lymann
Para poder tener una mejor imagen de esta importante etapa de la historia del Universo – después de todo, de otra forma no seríamos capaces de ver ninguna estrella ni galaxia ya que su luz sería absorbida antes de alcanzar nuestros telescopios – los autores del artículo que hoy revisamos estudiaron una galaxia que es fuerte emisora en el continuo de Lymann. A partir del estudio de fuentes de radiación ionizante, ellos esperan aprender cómo la fracción de radiación ionizante que escapa de la galaxia e ioniza el medio intergaláctico, depende de qué tan intrínsecamente brillante y lejana es la galaxia.

Ion2 

Los autores del artículo de hoy escogieron la galaxia “Ion2” para su investigación. La galaxia, que se encuentra a unos 11.7 mil millones de años luz de distancia, fue descubierta en el campo sur de GOODS en 2015. Es una región de formación estelar compacta con fuertes líneas de emisión de oxígeno, dándole una apariencia verdosa y haciendo que Ion2 parezca un guisante verde muy distante (para más información, también hay un astrobite en inglés sobre estos objetos). En todo caso, antes de que los autores pudieran empezar a estudiar la radiación ionizante de Ion2, se enfrentaron con el problema de su cercana compañera, que no podía ser resuelta usando imágenes tomadas desde tierra. Utilizando una cámara a bordo del Telescopio Espacial Hubble, fue posible resolver Ion2, permitiendo a los autores estudiar sus propiedades. Las imágenes del Hubble además asociaron sin ambigüedades la emisión LyC observada con Ion2 (ver figura 2).

Fig.2 Imágenes del Hubble de Ion2 mostrando claramente una compañera en las imágenes F435W y F606W. La imagen de la izquierda está tomada en la región del continuo de Lymann del espectro, lo que muestra que Ion2 es de hecho un emisor LyC. Figura 1 del artículo original.

Usando más telescopios para observaciones en varias longitudes de onda (ver figura 3), los autores fueron capaces de determinar las propiedades físicas de Ion2. Encontraron que es una galaxia de baja masa (de menos de mil millones de masas solares) con formación estelar, y que la fracción de sus elementos que no son hidrógeno (un número llamado “metalicidad”) es de cerca del 1/6 de la del Sol.

Fig.3 Obtener información multi longitud de onda sobre Ion2 permitió a los autores determinar sus propiedades físicas. Los autores usaron telescopios, incluidos Chandra (rayos X), HST (óptico), CANDELS y Spitzer (Infrarrojo cercano), así como espectrómetros cubriendo desde el ultravioleta hasta el infrarrojo cercano usando VLT y Keck. Figura 5 del artículo original.

Los autores también determinaron que la radiación ionizante emitida por Ion2 proviene de regiones de intensa formación estelar (conocidas como regiones “starbrurst”) donde unas 10 000 a 100 000 estrellas jóvenes tipo O están bombeando fotones ultravioleta.

Mejorando el entendimiento de las galaxias que provocaron la reionización. 

Aunque Ion2 no es una galaxia que contribuyera a la reionización del Universo (ya que se formó después de que el proceso se hubiera completado), estudiando sus propiedades puede de cualquier modo decirnos cómo pudo haber sido una galaxia típica durante esta era especial en la historia cósmica. Lo que por supuesto podría ser aun más excitante sería estudiar las auténticas galaxias cuyas estrellas calientes contribuyeron con radiación ionizante durante la era de la reionización. Siendo optimistas, esto podría ser posible con la próxima generación de telescopios espaciales que está a la vuelta de la esquina: el JWST…