Escondidos en las nubes de gas gigantes

• Título: “ALMA observations of Lyman-α Blob 1: Halo sub-structure illuminated from within”
• Autores: J. E. Geach et al.
• Institución del primer autor: Centre for Astrophysics Research, University of Hertfordshire, Hat- field, AL10 9AB, Reino Unido.
• Estado: Aceptado para su publicación en Astrophysical Journal.

Leyenda de la imagen destacada:  Imagen compuesta en falso color de la mancha Lyman-α SSA22-LAB01. La emisión de Lyman-α se muestra en amarillo, óptico en blanco, infrarrojo en rojo y ultravioleta en azul. Crédito: D. Alexander et al., S. Chapman et al., T. Hayashino et al., J.Geach.

Hace ya más de quince años desde que los astrónomos encontraron unas misteriosas estructuras gaseosas gigantes que emitían intensamente en Lyman-α de hidrógeno (1215.67Å). Debido a su emisión, se denominó a estas estructuras manchas Lyman-α (LABs, por sus siglas en inglés “Lyman-alpha blobs”). Habitan regiones del universo a alto redshift, desde las que su radiación Lyman-α originalmente ultravioleta se percibe en el rango visible debido al corrimiento al rojo. Estamos hablando de algunas de las estructuras individuales más grandes del universo, pudiendo alcanzar un tamaño superior a 100 kpc (o 400000 años luz). Se conocen varias decenas de estos objetos, pero aún quedan muchas preguntas por responder para entender su naturaleza. Se piensa que siguen los halos masivos de materia oscura, pero no se sabe si corresponden también a sobredensidades de galaxias a alto redshift como es el caso de algunas radiogalaxias. Se desconoce incluso el origen de la radiación Lyman-α que las caracteriza, si bien hay consenso en que involucra gas frío en el entorno. Los autores del trabajo que hoy analizamos han identificado galaxias que viven dentro de una de estas manchas Lyman-α, y por primera vez han encontrado evidencias para poder explicar el mecanismo que produce su emisión.

Vídeo 1: Desde un campo de visión muy amplio, nos aproximamos a la posición de la mancha Lyman-α SSA22-LAB01. Esta nebulosa gigante se ha observado con el instrumento FORS en el Very Large Telescope del Observatorio Europeo del Sur. La radiación ultravioleta que proviene de este objeto ha sufrido corrimiento al rojo hasta aparecer en el rango de luz visible. Crédito:ESO/A. Fujii/Digitized Sky Survey 2/M. Hayes | Música: John Dyson (del álbum Moonwind).

SSA22-LAB01 es la primera de las manchas Lyman-α descubiertas, la más grande de todas y la que mejor se ha estudiado. En 2013 se predijo que las LABs debían contener galaxias brillantes en el infrarrojo lejano, y un año más tarde el autor de este artículo y sus colaboradores confirmaron tal emisión con el telescopio James Clerk Maxwell aunque no pudieron resolver su fuente, es decir, no se pudo distinguir de qué parte concreta de la mancha provenía esta emisión. Esta vez, los autores utilizan las capacidades del telescopio ALMA para resolver los componentes que esconde SSA22-LAB01.

Figura 1 (Figura 1 del artículo original): Observaciones de la mancha SSA22-LAB01. (izquierda) Mapa de la emisión Lyman-alpha vista con el instrumento MUSE en el VLT, con contornos en distintos valores de flujo. El recuadro indica el área del panel central. (centro) Mapa de la región obtenido con ALMA. Se distinguen tres objetos responsables de la emisión marcados como a, b y c, aunque los dos primeros aparecen indiscernibles en algunas de las observaciones de ALMA y los autores las tratan como un solo objeto. (derecha) Imagen óptica de la región obtenida con el Hubble Space Telescope. Se superponen los contornos de ALMA y la rendija que se utilizó para las observaciones espectroscópicas con el telescopio Keck1. Se reconoce una fuente emisora más débil, S1.

ALMA ha observado esta región en una longitud de onda de 850 μm, aportando información sobre el medio interestelar frío y denso que exista en esta región. Esto es importante porque estudios teóricos y numéricos indican que el material frío en estos halos de materia oscura es absorbido por el gas caliente, y por tanto no es suficiente para explicar la emisión Lyman-α. El flujo medido por ALMA indica la masa y densidad del gas presente, la luminosidad total en el infrarrojo y la tasa de formación estelar de estas galaxias (aproximadamente 90 y 70 masas solares por año para las galaxias a+b y c respectivamente – ver Figura 1). Dichas tasas de formación estelar serían suficientes para explicar la emisión Lyman-α, incluso si solamente una pequeña parte de la radiación escapa de la nube. Para comprender esto conviene recordar que las estrellas recién formadas y masivas producen intensa radiación en el ultravioleta.

Las observaciones con el Hubble Space Telescope (HST) muestran la presencia de otros objetos menores y más débiles en SSA22-LAB01. Las observaciones espectroscópicas confirman que uno de estos objetos satélites, S1, se encuentra al mismo redshift y ligado a las galaxias detectadas con ALMA. Estos satélites ayudarían a la formación estelar y a la dispersión de la radiación.

Figura 2: Infografía que detalla los componentes internos de las manchas Lyman-alpha y cómo la emisión es producida y esparcida, permitiendo que escape hasta el observador. Tomada de la nota de prensa de ESO. Crédito: ESO/J. Geach.

Figura 3 (Figura 3 del artículo original): Simulación de la emisión de radiación ultravioleta con contornos superpuestos de la emisión  submilimétrica de un halo masivo a redshift z=3.

Para comprobar si las nociones teóricas sobre la formación y evolución de galaxias que tenemos hoy día contemplan la existencia y estructura de manchas Lyman-α como SSA22-LAB01, los autores realizan también una simulación computacional de la formación de un halo de 10¹³ masas solares. Esta simulación es muy compleja; hay que tener en cuenta muchísimos procesos tales como el enfriamiento del gas atómico y molecular, la formación estelar y su influencia en el entorno, emisión, absorción y dispersión de radiación por parte del gas y el polvo, etc.

Los resultados no pueden reproducir todos los detalles de las observaciones, pero resaltan algunas similitudes. En la simulación aparecen dos galaxias principales con tasas de formación estelar superiores a 100 masas solares por año. Ambas son emisoras de intensa radiación submilimétrica y una de ellas sería detectable con ALMA. Se aprecia también que estas galaxias centrales están rodeadas por otros satélites más pequeños, que serían detectables con el HST. Así, se concluye que las simulaciones son capaces de reproducir las observaciones de SSA22-LAB01. Pero no sólo eso, como la simulación incluye una prescripción de procesos radiativos se puede ver qué información aportan los resultados acerca de la emisión Lyman-α. La mayoría del gas se agruparía alrededor de los satélites, y sería en estas regiones donde se produce la mayoría de la dispersión que da lugar a la emisión extensa de Lyman-α (ver Figuras 2 y 3). Finalmente, los autores apuntan que probablemente hay más procesos importantes para explicar la emisión, pero que la dispersión que ocurre en el gas concentrado alrededor de los satélites debe tener un papel dominante.