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Entendiendo las observaciones de galaxias lejanas y luminosas

Como hemos discutido en artículos anteriores, las galaxias a alto redshift (mayor que 7, o sea, cuando el Universo tenía aproximadamente 750 millones de años), han sido buscadas intensamente en los últimos años. A pesar de tener cientos de éstas galaxias como candidatas fotométricas (es decir, sus colores indican que probablemente están a una gran distancia), son sólo 9 las que se encuentran espectroscópicamente confirmadas de manera contundente. El artículo de hoy nos muestra un estudio para poder identificar los espectros de 3 galaxias a alto redshift y obtener información de ellos.

Línea Lyman Alfa

La radiación ultra violeta de las galaxias es absorbida por el hidrógeno neutro en el medio interestelar e intergaláctico. A medida que una galaxia está más alejada de su observador, su luz viajará una mayor distancia y, debido a la expansión del Universo, la longitud de onda de la luz cambiará y, en este caso, la veremos más “hacia el rojo”.  Por tanto, esta absorción cae en la luz visible y luego infrarroja a medida que la galaxia está a mayor redshift. Esta absorción es casi completa para las galaxias lejanas, lo que produce un quiebre en el espectro. Esto hace que observarlas sea aún más complicado. La técnica que se usa es observar la línea de emisión que viene después de ese quiebre, que es la línea Lyman alfa. Una línea del espectro del hidrógeno que es emitida cuando el electrón pasa del orbital 2 al 1.

Figura 1: Impresión artística del proceso de Reionización. Se cree que este proceso se produjo por la ionización del gas alrededor de los primeros objetos, formando una suerte de burbujas. Estas burbujas se fueron haciendo más comunes y abarcando más área hasta que todo el Universo estuvo ionizado. Crédito: NASA/CXC/M.Weiss.

Figura 1: Impresión artística del proceso de Reionización. Se cree que este proceso se produjo por la ionización del gas alrededor de los primeros objetos, formando una suerte de burbujas. Estas burbujas se fueron haciendo más comunes y abarcando más área hasta que todo el Universo estuvo ionizado. Crédito: NASA/CXC/M.Weiss.

 

El problema es que la línea Lyman alfa no será visible en todas las galaxias, en parte debido al proceso de Reionización que, se cree, empieza a redshift 12 y está completamente terminado a redshift 6. Como hemos visto anteriormente, el Universo, en un principio, estaba en estado neutro, y empezó a ionizarse debido a que las estrellas masivas y calientes de las primeras galaxias comenzaron a ionizar sus alrededores, produciendo “burbujas” de gas ionizado alrededor de ellas hasta expandirse a todo el Universo. La línea Lyman alfa representa una transición resonante, lo que implica que será absorbida por el gas en estado neutral por lo que, podemos concluir que el ser observada en una galaxia indicaría que ésta está inmersa en un ambiente ionizado.

En este contexto, la pequeña cantidad de galaxias confirmadas de manera espectroscópica a redshift mayor que 7 serían aquellas galaxias que se encuentran en las regiones ionizadas más grandes del medio intergaláctico, pero esta idea podría estar incompleta…

Las otras líneas

Recientemente se han tratado de detectar y estudiar otras líneas de emisión en estas galaxias, con lo que una nueva pieza del puzzle de la reionización se ha empezado a formar. La detección de emisión de CIV en una galaxia de baja luminosidad a redshift 7.045 ha llevado a especular que el espectro altamente ionizador de esta galaxia puede intensificar la transmisión de Lyman alfa al ionizar de manera muy eficiente sus alrededores. Esto sugiere que las galaxias emisoras de Lyman alfa a alto redshift también serían las galaxias con campos de radiación extremos.

La pregunta es: ¿Cómo la emisión de Lyman alfa es capaz de escapar tan eficientemente para algunas galaxias y estar tan atenuada para otras? Una posible respuesta es que la mayoría de las galaxias luminosas (que son las que se han confirmado hasta ahora) están en regiones de sobredensidades que producen las burbujas de reionización más grandes.

En el artículo de hoy, los autores intentan entender los factores que son más importantes al momento de regular el escape de Lyman alfa a redshift mayor que 7. Esto con un survey de Lyman alfa y otras líneas de metales en el UV en un conjunto de galaxias de un estudio anterior. La idea es usar los conocimientos sobre las propiedades de estas líneas de emisión para entender la evolución de la visibilidad de Lyman alfa a redshift mayor que 7.

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Figura 2: Observatorio Keck con los 2 telescopios del mismo nombre en Manu Kea, Hawaii. Fuente: Wikipedia.

Las galaxias observadas

De un conjunto de cuatro galaxias de un estudio previo, en este artículo se realizan observaciones de tres de ellas. Para estas observaciones se utilizó el espectrógrafo MOSFIRE en el telescopio Keck, en Hawaii (Figura 2). Las galaxias observadas son EGS-zs8-1, EGS-zs8-2 y COS-zs7-1. Las tres poseen una magnitud aparente de aproximadamente 25 en la banda H, que indica que son objetos brillantes considerando su lejanía.  Estas galaxias fueron escogidas por presentar un exceso de flujo en el filtro [4.5] de IRAC (cámara infrarroja del telescopio espacial Spitzer). Este exceso de flujo refleja es un indicativo de la presencia de líneas de emisión [OIII]+H beta, lo que sugeriría que es posible encontrar otras líneas de emisión. Observaciones previas también encontraron emisión de Lyman alfa en 2 de las galaxias, y una posible emisión en la tercera de ellas.

Las observaciones de este estudio confirman la presencia de Lyman alfa en las tres galaxias. Dado que se espera que el medio intergaláctico sea significativamente neutro en el rango de redshift entre 7-9, esto alza la pregunta: ¿Cómo es posible encontrar esta línea tan escasa a este redshift en estas tres galaxias?

Con respecto a las otras líneas, sólo fue posible observarlas para EGS-zs8-1, con un doblete de líneas de emisión [CIII], CIII] anchas, lo que se puede ver en la Figura 3. Como se puede apreciar, estas líneas son difíciles de distinguir a redshift tan alto.

Figura 3: Espectroscopía para la galaxia EGS-zs8-1. A la izquierda se muestra Lyman alfa, y a la derecha el doblete . Crédito: Figura 1 del artículo.

Figura 3: Espectroscopía para la galaxia EGS-zs8-1. A la izquierda se muestra Lyman alfa, y a la derecha el doblete [CIII], CIII]. Crédito: Figura 1 del artículo.


¿Qué nos están diciendo las líneas?

Al tener más de una línea de emisión, sus posiciones se pueden usar para medir cuán corridas están sus separaciones con respecto a los valores estándar (las longitudes de onda a las que se producen las líneas son sabidas). Las líneas no resonantes son las que prueban el redshift de mejor manera, ya que las resonantes (Lyman Alfa) son alteradas por los efectos de la transferencia radiativa. La líneas Lyman alfa se origina al centro de la galaxia y, el hidrógeno neutro que se encuentre cerca del centro puede producir scattering y hacer que la línea se desfase. Este desfase, medido para EGS-zs8-1, resultó ser de 340 km/seg, y es mayor que lo encontrado para galaxias menos luminosas. La existencia de estos desfases de velocidades altos a redshifts mayores que 6, sugiere que una cantidad sustancial del gas se ha acumulado ya en el centro en las galaxias más masivas, “forzando” a Lyman alfa a escapar en longitudes de onda más rojas.

Usando toda la información en las distintas bandas y de las líneas de emisión, los investigadores aquí usan una herramienta llamada BEAGLE para ajustar el espectro de ésta galaxia y estudiar las propiedades. Al ajustar los parámetros con las observaciones, se obtiene que el espectro en este caso es altamente ionizante para las galaxias observadas, y la detección del doblete para EGS-zs8-1 indicaría una baja metalicidad.

Estos resultados iniciales podrían explicar por qué Lyman alfa es tan frecuentemente observada en las galaxias luminosas de la muestra. Como explicamos antes, la capacidad de observar Lyman alfa en una galaxia depende de su transmisión a través de la galaxia y del medio intergaláctico. Según los autores, esta probabilidad sería maximizada en la muestra utilizada dada la selección de galaxias con alta emisión de [OIII]+H beta, lo que favorece a galaxias muy masivas con poblaciones estelares jóvenes.

Para las galaxias luminosas, como dijimos antes, Lyman alfa es capaz de escapar, pero en galaxias de baja luminosidad, ésta línea es más fuertemente atenuada por el medio intergaláctico. Estas conclusiones, aunque prematuras, pueden ayudar en el futuro a escoger el tipo de galaxias que queremos observar a alto redshift.

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