Nuevo Récord: La galaxia más lejana observada.

• Título: A Remarkably Luminous Galaxy at z=11.1 Measured with Hubble Space Telescope Grism Spectroscopy
• Autores: P. A. Oesch, G. Brammer, P. G. van Dokkum, D. Illingworth, R. J. Bouwens, et al.
• Institución del primer autor: Yale Center for Astronomy and Astrophysics, Yale University, New Haven, CT, USA
• Estatus: Aceptado en ApJ.

Encontrar galaxias lejanas es uno de los temas más activos en Astrofísica hoy (por ejemplo: artículo 1, artículo 2). En cierta medida, es como descubrir nuestro pasado, por lo que numerosos esfuerzos han sido llevados a cabo para descubrir estas galaxias, entender sus propiedades, estudiar el proceso de reionización, entre otros. Estos estudios han sido principalmente realizados con el telescopio espacial Hubble, dado su capacidad para tomar imágenes profundas. Anteriormente – hace aproximadamente 3 años – la galaxia más lejana encontrada era MACS0647-JD (Figura 1),  a un redshift 10.7, correspondiente a una edad del Universo de 427 Mega años. Cabe destacar que esta galaxia está magnificada a nuestra vista, por el efecto de lente gravitacional, razón por la cual somos capaces de observarla (si no, su luminosidad sería muy débil para nuestros telescopios). El redshift de MACS0647-JD fue estimado de manera fotométrica, pero fue confirmado usando varios filtros, por lo que es un candidato muy confiable.

Figura 1: Imagen de la galaxia más lejana previamente conocida, MACJ0647-JD. Los paneles de la izquierda (JD1, JD2 y JD3) muestran 3 imágenes de la misma galaxia que aparecen en distintas posiciones debido al efecto de lentes gravitacionales. El panel de la derecha muestra el campo completo. Crédito: ESA y NASA.

Confirmaciones espectroscópicas

Recientemente, varios esfuerzos se han realizado por confirmar espectroscópicamente las galaxias más lejanas. Esto no ha sido una tarea fácil, ya que la forma más común para confirmarlas, es usando la línea de emisión Lyman alfa. Sin embargo, esta línea no siempre es visible, en parte, porque puede ser que a alto redshift (7-12) el proceso de reionización no esté completado en todo el Universo, lo que deja ciertas galaxias rodeadas de hidrógeno neutro, lo que impide detectar esta línea de emisión. Si la reionización se produjo como se cree, es decir, de forma gradual y en ciertos lugares primero (burbujas), a medida que nos acercamos a redshifts más alto – es decir, cuando el Universo es más joven – tenemos menos probabilidad de encontrarla. En adición a esta dificultad, nos encontramos con el hecho que estas galaxias se espera que sean menos luminosas, debido a su distancia y a la evolución de la función luminosidad (que predice menos galaxias brillantes a alto redshift), por lo que son más difíciles de observar aún.

Figura 2: Espectroscopía usando un grisma de la cámara infrarroja WFC3 del telescopio espacial Hubble para el survey AGHAST. En la izquierda, vemos la imagen normal del campo, y en la derecha, sus espectros tomados con el grisma. http://mingus.as.arizona.edu/~bjw/aghast/

La técnica del grisma

Debido a las dificultades que presenta la confirmación espectroscópica con identificación de líneas, varios grupos han usado otra técnica para confirmar estas galaxias. Esta técnica consiste en buscar el salto en la emisión espectroscópica, y se basa en que la emisión de la galaxia será totalmente absorbida para todas las longitudes de onda más corta que Lyman alfa. Ese salto (o “break”, en inglés), que se encuentra en el UV, será observado a una longitud de onda mayor dependiendo de qué tan lejos esté la galaxia de nosotros. Para observar esto, se usa un grisma, que “descompone” la luz proveniente del objeto observado, y permite ver su espectro. En la Figura 2 mostramos un ejemplo de las observaciones hechas con un grisma.

Observaciones de GN-z11
El equipo que presenta este estudio encontró anteriormente un pequeño grupo de galaxias a redshift mayor que 9, suficientemente brillantes para ser estudiadas con este método. Este grupo era inesperadamente brillante, por lo que existían dudas de que podría haber sido un grupo de otro tipo de galaxias a menor redshift. De este grupo, observaron el candidato GN-z11, que se convertiría en lo que parece ser la galaxia más lejana observada hasta hoy.

Las observaciones fueron realizadas con la cámara WFC3 infrarroja del telescopio espacial Hubble. En la Figura 3 se muestran los espectros del objeto.

Figura 3: El grisma en 2 dimensiones de GN-z11. (1) muestra el espectro obtenido del objeto, (2) es la contaminación modelada contribuida por otros objetos, (3) es lo que queda al quitar la contaminación, (4) es el modelo de una galaxia a redshift 11.09, y (5) es el residuo que queda al sustraer el modelo de la observación.
Crédito: Figura 3 del artículo.

Identificar la galaxia desde la imagen no es tan fácil. Es necesario restar la contaminación producida por otras fuentes, para lo que se crea un modelo, como podemos ver en el segundo panel (de arriba hacia abajo). Luego de “limpiar” el espectro, se buscan diferentes modelos de objetos que se ajusten a lo observado (cuarto panel), y finalmente se resta, para ver si existe un residuo que indicaría que el modelo no es compatible. En este caso, el residuo que deja una galaxia a redshift 11.09 es casi solo ruido, por lo que el resultado es razonablemente confiable.

Existen otros objetos con los que podría ser confundida una galaxia lejana, tales como galaxias a bajo redshift con mucho polvo. La posibilidad de que GN-z11 sea uno de estos objetos en vez de una galaxia a alto redshift es discutida en el artículo, pero se desechada por no ajustarse al modelo observado.

Con las observaciones hechas, se pueden estimar ciertas propiedades de esta galaxia, concluyendo que es una galaxia relativamente joven (se formó hace poco tiempo), de 40 Mega años. Esto mismo nos indica que debió haber formado sus estrellas de manera rápida, con una formación estelar de aproximadamente 24±10 Masas Solares por año.  Su brillo se asocia con su masa, que se estima alrededor de mil millones de Masas Solares (relativamente masiva), lo que desafía nuestro entendimiento de la formación de galaxias en etapas tempranas.

Una de las cosas sorprendentes de esta galaxia es su luminosidad. De acuerdo a la evolución de la función luminosidad (densidad de galaxias por intervalo de luminosidad), estas galaxias tan brillantes son muy escasas a este redshift, pero esta galaxia fue encontrada observando un área muy pequeña, por lo que surge la pregunta: ¿Fue sólo suerte encontrarla en tan reducido espacio, o existen más galaxias de esta luminosidad de las predichas?
En la Figura 4, vemos a esta galaxia, GN-z11

Figura 4: Imagen de la galaxia más lejana conocida hasta hoy, GN-z11, a redshift 11.09. Créditos: NASA y ESA.

Aunque no toda la comunidad astronómica está completamente convencida – en parte, por la dificultad de este tipo de observaciones y novedad de estos candidatos – este es un descubrimiento emocionante, ya que si está verdaderamente a alto redshift, estaríamos abriendo la frontera a galaxias cada vez más lejanas, que nos ayudan a entender el Universo. Si no lo es, también nos habla de un tipo de galaxias que no conocemos y que nos podrían ayudar a entender los contaminantes a la hora de buscar galaxias lejanas.

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