Reionización cósmica: ¿quién tiene la culpa?

• Título:   “A Hard Ionizing Spectrum in z = 3 – 4 Lyα Emitters with Intense [O III] Emission: Analogs of Galaxies in the Reionization Era?“
• Autores: Kimihiko Nakajima, Richard S. Ellis, Ikuru Iwata, Akio K. Inoue, Karuka Kusakabe, Masami Ouchi and Brant E. Robertson
• Institución del primer autor: European Southern Observatory, Munich, Germany
• Astrobite original: Cosmic reionization: Who is to blame?

Uno de los retos más interesantes en astronomía es extender la frontera que define cúan lejos en la historia del Universo podemos llegar a observar cuando intentamos descifrar cómo se formaron y evolucionaron las primeras galaxias. Por ejemplo, los astrónomos están constantemente al acecho de la siguiente pista sobre cómo el Universo se reionizó, es decir, cómo el hidrógeno neutro que existía a lo largo de todo el Universo fue ionizado por la energía radiada por las primeras fuentes de luz.

Hay un hito significativo que puede utilizarse para identificar algunas de las galaxias de más alto redshift (es decir, más distantes): la transición entre los niveles n=2 y n=1 del átomo de hidrógeno, conocida como transición Lyman-alpha que produce fotones con una frecuencia determinada. En las primeras galaxias, esta potente radiación ultravioleta era emitida con una longitud de onda de de 1216 Angstroms (0.00001216 centímetros). La longitud de onda de estos fotones se ve ensanchada durante el su viaje a través del universo en expansión hasta que la observamos, generalmente en el espectro visible o infrarrojo cercano. Observar las galaxias emisoras de Lyman-alpha (LAEs) es por tanto una forma de estudiar las primeras galaxias y determinar si la intensa formación estelar que cabe esperar de estas galaxias fue suficiente para causar la reionización del Universo.

Para responder esta pregunta, los astrónomos tienen que determinar si las primeras galaxias emitieron suficientes fotones de alta energía. Una forma de hacer esto es buscar otras líneas de emisión que solo pueden haberse originado en el medio galáctico a alta energía. Específicamente, las lineas de emisión de las moléculas de oxígeno, tales como el oxígeno doblemente ionizado (OIII), con una longitud de onda de 5007 Angstroms, son ensanchadas hasta la zona infrarroja profunda del espectro para las primeras galaxias. El OIII es un átomo de oxígeno del cual 2 electrones han sido expulsados, para lo cual son necesarias interacciones mucho más energéticas que las necesarias para ionizar el átomo de hidrógeno. Por lo tanto, cuando esta transición se detecta en una galaxia, constituye un indicador de que en ella tuvieron lugar procesos de muy alta energía. Sólo hay un pequeño problema: medir la transición de OIII en las galaxias más lejanas (¡estamos hablando de redshifts 6<z<10!) está más allá de lo que la tecnología actual nos permite. Los astrónomos son capaces de sortear este problema estudiando galaxias a más bajo redshift que son análogas a las primeras galaxias, pero en las cuales las lineas de emisión de oxígeno son más accesibles con los detectores actuales. En el artículo de hoy los autores estudian líneas de emisión específicas de LAEs a redshifts z~3, tratando de entender cómo sus hermanas a alto redshift pudieron haber contribuido a la reionización del Universo.

Figura 1: Razón entre la emisión en OIII y OII en función de la metalicidad, parametrizada por un indicador conocido como R23. Los puntos rojos muestran las fuentes emisoras de fotones de Lyman-alpha, mientras que los azules representan objetos sin emisión en Lyman-alpha. La nube de puntos negros representa la zona dominada por galaxias a redshift 0. Las galaxias emisoras de Lyman-alpha muestran una mayor emisión en OIII, lo que implica un espectro de fotones más energéticos. Figura 3 del artículo origina.

La pregunta más importante que el artículo trata de responder es si los LAEs muestran señales de OIII más intensas que las galaxias sin líneas de emisión de Lyman-alpha y, por lo tanto, si tienen espectros capaces de ionizar el medio de forma más eficiente. Para responder a esta pregunta, los autores recopilaron una muestra de 15 objetos con emisión de oxígeno usando el espectrógrafo MOSFIRE, en uno de los telescopios Keck de 10 metros localizados en la cima del Mauna Kea, en Hawaii.

Los resultados mostrados en la Figura 1 representan la razón de OIII a OII en el eje y y R23, una medida de la metalicidad de la galaxia, en el eje x. Esta razón, donde OII es la cantidad de oxígeno simplemente ionizado (es decir, al que solo le falta un electrón), proporciona una medida de cómo de energética es la radiación ionizante de una galaxia. La mayor conclusión que se saca de la Figura 1 es que los LAEs, mostrados como marcadores rojos en la imagen, tienen una emisión de OIII mayor que las galaxias sin emisión en Lyman-alpha, mostradas en azul. Así pues los resultados parecen indicar que en las galaxias a bajo redshift los LAEs emiten fotones de más alta energía. Este resultado, extrapolado a alto redshift, da sustento a la idea de que, en efecto, las primeras galaxias emitieron suficientes fotones de alta energía para reionizar el hidrógeno neutro del Universo. Los autores, sin embargo, se muestran cautelosos a la hora de interpretar estos resultados, mencionando que sólo mejores observaciones en el futuro podrán arrojar luz sobre los procesos concretos que producen este exceso de emisión en galaxias emisoras de Lyman-alpha.