Una galaxia observada a través de telescopios naturales

Título: ALMA [C II] 158 μm detection of a redshift 7 lensed galaxy behind RXJ1347.1-1145
Autores: Marusa Bradac, Diego Garcia-Appadoo, Kuang-Han Huang, Livia Vallini, Emily Quinn Finney, Austin Hoag, Brian C. Lemaux, Kasper Borello Schmidt, Tommaso Treu, Chris Carilli, Mark Dijkstra, Andrea Ferrara, Adriano Fontana, Tucker Jones, Russell Ryan, Jeff Wagg.
Institución del primer autor: University of California, CA, USA.
Estado: Enviado a ApJLetters.

Como hemos hablado en otros artículos, el proceso de reionización corresponde a la época en que el hidrógeno pasó de estar en su estado neutral a estar ionizado en el Universo. Aunque no está totalmente entendido por los astrónomos, sabemos que una de las piezas clave son las galaxias, pues se cree que éstas son responsables de ionizar sus alrededores mediante la energía de sus estrellas, y estas estrellas pueden ser caracterizadas por medio de sus líneas espectroscópicas. Sin embargo, la mayoría de las galaxias a redshift 7 o mayor no han podido ser confirmadas espectroscópicamente, por lo que no se ha podido obtener mayor información sobre las líneas de emisión. Esto nos dificulta entender cómo estas galaxias ionizaron el Universo.

Líneas de emisión de las galaxias: Lyman-alfa y [CII]

La línea más común que se intenta observar en estas galaxias para medir su redshift es Lyman-alfa, (producida por el salto del átomo de hidrógeno desde el nivel 2 al 1) ya que es la línea más prominente en las longitudes de onda ópticas y del infrarrojo cercano. Sin embargo, esta línea puede ser ¨borrada¨ por el hidrógeno neutro que está dentro o en los alrededores de la galaxia. Por lo que si una galaxia no está en las burbujas de hidrógeno ionizado que se produjeron durante el proceso de reionización, no podremos detectar la línea Lyman-alfa.

Una forma alternativa de medir el redshift y estudiar propiedades de la galaxia, es observar la línea de carbono [CII] que es emitida a una longitud de onda de 158 μm. Esta línea se puede observar en el radio y/o infrarrojo lejano para galaxias tempranas. De esta línea, se puede extraer información sobre la conexión con la tasa de formación estelar, ya que se forma cuando estrellas jóvenes y calientes están presentes, y su intensa radiación ¨dispara¨ los electrones, por lo que su brillo intrínseco está directamente relacionado con la formación estelar.

Debido a que las galaxias responsables de la reionización son muy tenues, observar la línea [CII] no ha sido trivial, y se ha logrado observar en contadas ocasiones, sólo después de identificar la línea Lyman-alfa, para saber en qué parte del espectro debería caer. Incluso para galaxias cuya línea Lyman-alfa es considerablemente brillante, no han mostrado la línea [CII]. ¿Por qué? No lo tenemos claro, pero es algo a investigar.

El telescopio más idóneo para las observaciones de [CII] en galaxias a alto redshift es ALMA, debido a su potencia y longitud de onda en la que puede observar.

En el artículo que vemos hoy, se observó la línea de emisión [CII] de la galaxia RXJ1347:1216 a redshift 6.7659 con ALMA.

Figura 1: Emisión de [CII] sobrepuesta en la imagen de HST. Los contornos están espaciados entre 0.4 – 0.9 mJy. El zoom de la derecha muestra la galaxia, y en la parte inferior izquierda, en azul, se muestra el tamaño del beam. Crédito: Figura 1 del artículo.

Esta galaxia (que se muestra en la Figura 1) fue descubierta en 2014 en el Cluster Lensing and Supernova survey with Hubble (CLASH, por sus siglas en inglés) como candidato fotométrico a redshift 7.  Su redshift fue confirmado a 6.7659 por medio de la observación de Lyman-alfa. El cúmulo de galaxias RX J1347.1-1145 que se encuentra entre nosotros y esta galaxia, actúa como lente gravitacional, permitiéndonos verla más brillante. De no suceder este fenómeno, sería imposible observarla.

La longitud de onda a la que se observa [CII] concuerda con la observación previa de Lyman-alfa. Esto indica que esta última no está desfasada, lo que implicaría que, si esta galaxia es representativa de las galaxias a alto redshift, la fracción de hidrógeno neutro en el medio intergaláctico sería más pequeña de la esperada entre redshift 6 y 7.

Figura 2: Ajuste del espectro a los datos fotométricos de Spitzer actualizados con lo obtenido por ALMA. A partir de este espectro, se pueden inferir propiedades de la galaxia. Crédito: Figura 3 del artículo.

La luminosidad de [CII] es menor que la esperada para el mismo tipo de galaxias a bajo redshift. Esto explicaría por qué ha sido difícil de observar. En este caso sólo somos capaces de observarlas por el efecto de lentes gravitacionales.

Resultados

Con los datos de la luminosidad a diferentes longitudes de onda, se le ajusta un espectro como se ve en la Figura 2, el que nos da información sobre la galaxia. En este caso particular, se puede inferir que esta galaxia contiene una importante cantidad de polvo y baja metalicidad (menor que 0.2 veces la metalicidad solar). Además, su población estelar es joven (10 mega años). A pesar de que hay muchas degeneraciones por la libertad de parámetros, estos resultados son bastante confiables, ya que son consistentes con lo que se espera dado lo que conocemos de las galaxias a bajo redshift con una línea de [C II] de baja luminosidad.

En resumen, las propiedades medidas para esta galaxia son consistentes con lo predicho por las simulaciones para el período de reionización, pero no podemos generalizar, ya que es sólo un ejemplo en un sinfín de galaxias. Sin embargo, este es un gran avance.
Afortunadamente, y gracias al efecto de lentes gravitacionales y la capacidad de ALMA, estos astrónomos fueron capaces de observar una línea que ha sido muy esquiva para las galaxias de la época de reionización, y nos ha entregado información muy interesante sobre esta galaxia. Observaciones futuras de mejor resolución con ALMA nos permitirán resolver espectroscópica y espacialmente galaxias a redshift 7, estudiar su dinámica y la distribución de [CII] a escalas pequeñas. Estos estudios podrían situar a ALMA como el telescopio que revolucionará las observaciones de galaxias a alto redshift y nuestro entendimiento de la Reionización.