El origen y destino de la Galaxia más distante

Título: Dark-ages reionization & galaxy formation simulation VI: The origins and fate of the highest known redshift galaxy
Autores: Simon J. Mutch, Chuanwu Liu, Gregory B. Poole et al.
Institución del primer autor: University of Melbourne
Astrobite original: The Origins and Fate of the Most Distant Galaxy

Buscar en las regiones más distantes del Universo observable es como rebobinar una larga cinta de video y mirar hacia el pasado distante. La luz tiene una velocidad límite, lo que implica que a la luz de las fuentes más distantes le toma algún tiempo alcanzarnos. Además, el Universo se está expandiendo, por lo que la luz observada también está “estirada” respecto a cuando fue emitida. Esto último es muy útil para los astrónomos ya que el valor de este “estiramiento” puede indicarnos cuan lejano está el objeto que emitió dicha luz. Este efecto es conocido como “redshift cosmológico“.

Figura 1: Imagen tomada por el Hubble Space Telescope de GN-z11, la galaxia más distante conocida a redshift 11.

La galaxia más distante

El principal protagonista del artículo fue encontrado usando el Wide Field Camera 3, un instrumento del Hubble Space Telescope; el nombre de dicha galaxia es GN-z11 (¡la cuál tiene su propia página de Wikipedia!). Oesch et al. fueron recientemente capaces de identificarla como una galaxia a un redshift más de 11. Esto significa que la luz de GN-z11 fue emitida cuando el Universo tenía 400 millones de años y que ha viajado por 13.3 mil millones de años antes de alcanzar nuestros telescopios. Mientras que el hecho de que GN-z11 sea la galaxia más distante del Universo ya es asombroso por su propia cuenta, resulta que este objeto también es extremadamente luminoso (lo cual por otro lado hizo posible su descubrimiento en primer lugar). De acuerdo con los autores del artículo, GN-z11 es 3 veces más luminoso que cualquier galaxia típica a redshift 7-8, como es el caso de la segunda galaxia más distante y que se encuentra más cerca de nosotros (¡y que uno esperaría que fuera más luminosa!). Esto hace que GN-z11 sea un objeto extremadamente raro y abre la pregunta de como pudo formarse esta galaxia y de cual fue su evolución subsecuente.

Comparando con Modelos

Para responder estas preguntas los autores del artículo de hoy hacen uso de modelos de formación galáctica para investigar si tales modelos pueden predecir la existencia de objetos como GN-z11, además de derivar sus propiedades, origen y posible destino. Estudiando un volumen de espacio modelado comparable con el que llevó al descubrimiento de GN-z11, ellos encontraron dos galaxias distantes con un brillo ultravioleta similar al de GN-z11. Esto sugiere que dichas galaxias luminosas en realidad deberían ser muy comunes en las primeras fases de la formación de galaxias. Este resultado escapa a lo que antes se pensaba en previos estudios.

Lo siguiente en la lista es intentar usar estos modelos para derivar las propiedades de GN-z11, pero antes es necesario estudiar si realmente los modelos usados reproducen las observaciones en el mundo real. Esto se hace comparando con el número de galaxias brillantes que son predichas a bajo redshift (galaxias en nuestro Universo reciente) con las observadas. Se encuentra un buen acuerdo entre ambos (figura 2), por lo que los autores tienen confianza en los resultados del modelo para objetos tan distantes como los que encontraríamos a redshift 11. Entonces se seleccionaron las dos galaxias más brillantes de la muestra, a las que llamaron DR-1 y DR-2 (figura 3). Ambas muestran buen acuerdo con las medidas observacionales de GN-z11 por lo que pueden ser usadas para estudiar dicha fuente. DR-1 y DR-2 son las dos galaxias más masivas de las simulaciones (a redshift 11) y ellas viven en los dos subhalos más masivos. Resulta que son “outliers” en la mayoría de poblaciones de galaxias modeladas (outliers significa que no encajan con el resto), no solo en terminos de su luminosidad si no también de su masa estelar y su razón de producción de estrellas (tasa de formación estelar).

Figura 2: Función de la luminosidad ultravioleta, la cual indica cuantas galaxias de un cierto brillo pueden ser encontradas en un volumen dado a un redshift de 6 (línea azul), 8 (magenta) y 11.1 (gris). El eje x indica el brillo en UV (incrementando hacia la derecha), mientras que el eje y da la medida de cuantas galaxias existen en un cierto volumen una luminosidad. La luminosidad de las galaxias DR-1 y DR-2 estan indicadas por un circulo verde y un cuadrado naranja respectivamente, mientras que la ubicación de GN-z11 es mostrado en el pentágono rojo. La ubicación e incertidumbres de previas observaciones son mostradas para ambas redshift 6 y 8. Existe un buen acuerdo entre los valores observados y las predicciones teóricas lo que da a los autores confianza para obtener conclusiones de sus modelos.

El origen de GN-z11

Varias preguntas interesantes se mantienen en el aire: ¿Porqué estos sistemas masivos se forman tan rápido? La edad del Universo a redshift 11 es de algunos pocos millones de años. Esto no es mucho tiempo para que las galaxias se estructuren. ¿Está indicandonos su extrema luminosidad un fenómeno transitorio, por ejemplo, una fusión de galaxias o algo así? Y sí no es así, ¿entonces cómo puede mantenerse el nivel de formación estelar requerido para producir dicho número de estrellas luminosas en ultravioleta? Veamos que dicen las simulaciones al respecto.

De las simulaciones los autores pudieron determinar que el subhalo en el cual reside DR-1 creció por un factor 5 en los 65 millones de años que le siguieron inmediatamente al período después de redshift 11. Esto significa que la masa estelar de la galaxia creció por un factor 9 durante ese mismo período. Adicionalmente, parece que las galaxias análogas a las extremadamente luminosas no resultan de un fenómeno transitorio ya que tanto su tasa de formación estelar como su luminosidad ultravioleta permanecen altas e inclusive se incrementan en el subsecuente período de evolución. Esto es un verdadero rompecabezas; la alta tasa de formación estelar debería de resultar en altos valores de energía de supernovas alimentando el medio interestelar, el cual se calienta y eyecta el gas frío de la galaxia, cortando la formación estelar. A esto se le conoce como ciclo de realimentación negativa. Pero lo que los autores encontraron es que el agotamiento de la formación estelar es mucho menos marcado. Esto puede deberse a que las reservas de gas frío disponibles para estas galaxias son suficientemente grandes para que no se agoten rápidamente, lo que significa que solo una pequeña porción de esta reserva se usa durante el episodio de formación estelar. El resultado es que el ritmo de formación de estrellas se mantiene por mucho más tiempo. Adicionalmente las fusiones de galaxias son conocidas por disparar rápidamente la formación estelar lo cual puede agotar las reservas de gas. Como sea, los autores encontraron que ninguno de las dos galaxias, DR-1 o DR-2, han experimentado grandes fusiones.

Figura 3: Las historias de las dos galaxias modeladas, DR-1 y DR-2 (línea solida verde y punteada naranja respectivamente) entre redshift 18 y 6, cubriendo un tiempo cuando el Universo tenía entre 200 millones de años y mil millones de años de edad. Los datos de GN-z11 están indicados a su redshift apropiado por el pentágono rojo. De arriba hacia abajo los paneles muestran: magnitud absoluta ultravioleta, tasa de formación estelar, masa estelar, masa del subhalo, fracción del gas frío en la galaxia, radio de la galaxia y tasa de fusiones. Por comparación, la línea y puntos grises muestran las historias de las otras 10 galaxias más luminosas a redshift 11.

El destino de GN-z11

Adelantando el video de la evolución cósmica de la simulación a un tiempo donde el Universo tiene aproximadamente mil millones de años permite investigar en que se convirtieron las galaxias como GN-z11. Interesantemente DR-1 y DR-2 continuaron creciendo de manera constante. Estas se mantuvieron masivas y luminosas. Sin embargo, mientras estas galaxias eran claros outliers a redshift 11, cuando el Universo alcanzó los mil millones de años de edad fueron apareciendo gradualmente objetos más masivos o más luminosos en las simulaciones.

Y así, aunque GN-z11 fue una galaxia excepcional durante el Universo temprano, es probable que con el tiempo se convirtiera en una galaxia masiva común en nuestro Universo actual…