estás leyendo...
Papers recientes

Unas lentes gravitacionales para ver el polvo del pasado

Título del artículo original: “Early Science with the Large Millimeter Telescope: Detection of dust emission in multiple images of a normal galaxy at z > 4 lensed by a Frontier Fields Cluster [arXiv:1703.04535]”
Autor: Alexandra Pope, Alfredo Montaña, Adrew Battisti, Marceau Limousin, Danilo Marchesini, Grant W. Wilson, Stacey Alberts, Itziar Aretxaga, Vladimir Avila-Reese, José Ramón Bermejo-Climent et al.
Institución del primer autor: Department of Astronomy, University of Massachusetts, Amherst, MA 01003
Estado de la publicación: Publicado en ApJ, 2017ApJ…838..137P

Como se trató en el astrobitos “Una galaxia observada a través de telescopios naturales“, en muchas ocasiones podemos ver galaxias muy muy lejanas gracias a un efecto de magnificación que producen objetos muy masivos, como son los cúmulos de galaxias. A este efecto se le conoce como lente gravitacional, y la galaxia que se estudia en este trabajo puede observarse gracias a este efecto.

¿Galaxias polvosas en el pasado?

La formación y evolución de las galaxias es un tema de estudio en astronomía lleno de incógnitas.  ¿Cuáles son las propiedades de las galaxias en las edades más cortas del Universo?¿Qué tan rápido se han formado las estrellas en las galaxias a lo largo de la vida del Universo? Suponemos que los primeros granitos de polvo en el Universo se formaron de la explosión de supernovas muy brillantes, y que conforme más estrellas explotaban como supernovas más polvo se formaba, pero… ¿con qué rapidez se fueron obscureciendo las galaxias debido al incremento del polvo?

El polvo emite principalmente en longitudes de onda largas, como el infrarrojo lejano o el milimétrico. Hasta el momento, los censos de formación estelar obscurecida por el polvo a corrimientos al rojo (z) mayores a 3 (z=3, 15% de la edad actual del Universo) están severamente incompletos. Además, estos censos solamente detectaban galaxias peculiares y poco comunes, conocidas como Galaxias Infrarrojas Ultra Luminosas (ULIRGs, por sus siglas en inglés), las cuales están formando estrellas a una gran velocidad y tienen una altísima cantidad de polvo. En cambio, la observación directa del polvo en galaxias normales a corrimientos al rojo mayores a 3 es complicada porque son mucho más débiles.  Solamente la gran sensibilidad del arreglo de radiotelescopios ALMA ha sido capaz de detectar siete galaxias con luminosidad “normal” a corrimientos al rojo iguales o mayores a 4 (z=4, 8% de la edad actual del Universo), demostrando que algunas de estas galaxias tienen una importante cantidad de polvo.

El Gran Telescopio Milimétrico Alfonso Serrano (GTM) es otro instrumento con el que también se puede observar, de forma directa, el polvo de galaxias más lejanas que z=4. Así, los autores de este trabajo observaron el cúmulo de galaxias MACSJ0717.5+3745 (Figura) a una longitud de onda de 1.1 mm (ideal para observar polvo) con la cámara AzTEC del GTM, en búsqueda del polvo en imágenes de galaxias lejanas creadas por las lente gravitacional de este cúmulo.

MACS_J0717_Az9

Figura 1. Imagen óptica obtenida con el Telescopio Espacial Hubble del cúmulo de galaxias MACSJ0717.5+3745. Los cuadros rojos indican la posición de las tres imágenes de la galaxia MACS0717_Az9, amplificada por efectos de lente gravitacional, cuya emisión de polvo fue detectada por el GTM. Los paneles de la derecha muestran un acercamiento a dichas imágenes. Imagen original de la NASA, ESA y el equipo Frontier Fields del HST (STScI), composición de colores de Wikimedia Commons/Judy Schmidt, anotaciones y paneles agregados por A. Montaña.

Calculando las propiedades de una galaxia fuertemente amplificada

Figura 2. SED ajustada a las fuentes 5.1 (gris claro), 5.2 (gris medio), 5.3 (gris obscuro) y el valor promedio de las tres fuentes (rojo). Crédito: Figura 4a del artículo original, Pope et al., 2017 (arXive1703.04535)

¡Éxito! A pesar de que la luz de las imágenes de esta galaxia es muy débil, cámara AzTEC se pudo detectar dos de las tres imágenes de la galaxia MACS0717_Az9 (Figura 1, recuadros 5.1 y 5.2) producidas por la lente gravitacional del cúmulo. La tercera imagen también se observa en el mapa de AzTEC, sin embargo la señal a ruido es menor a 3.

Después de asegurarse de forma estadística de la robustez de las detecciones, se obtuvo el valor de la magnificación para cada una de las imágenes de la galaxia y dos posibles valores para su corrimiento al rojo  (z=4.1, z=4.3) de datos de la literatura. Después, utilizaron imágenes tomadas por el Telescopio Espacial Hubble (HST, por sus siglas en inglés) para calcular la fotometría de la galaxia desde el ultravioleta hasta el milimétrico. Y así, ajustaron la fotometría calculada a una distribución espectral de energía (SED, por sus siglas en inglés) modelada (Figura 2) para encontrar que la masa contenida en las estrellas de la galaxia es 10 veces menor que la de la Vía Láctea, ¡realmente una galaxia modesta!

Debido al efecto Doppler, para un corrimiento al rojo mayor a z=4 las observaciones a 1.1 mm corresponden a la luminosidad que emite el polvo en longitudes de onda del lejano infrarrojo. De forma que al ajustar flujo a 1.1 mm (corregido por la magnificación de la lente gravitacional) a la SED modelada típica de una galaxia con formación estelar a alto corrimiento al rojo se puede determinar la luminosidad total emitida en infrarrojo, y por lo tanto la tasa de formación estelar obscurecida por el polvo, SFRIR. También calcularon la tasa de formación estelar libre de polvo, obtenida a partir de la luminosidad ultravioleta (SFRUV). Y encontraron que el 80% de la formación estelar en la galaxia está siendo obscurecida por el polvo.

¿Qué quiere decir todo lo que observamos?

Figura 3. Relación del exceso de luminosidad infrarroja contra la pendiente ultravioleta para MACS0717_Az9 (estrella naranja y roja, para los dos valores de corrimiento al rojo), galaxias locales con intensa formación estelar (línea sólida), línea punteada corresponde a la extinción de polvo encontrada en la Nube Menor de Magallanes y galaxias observadas en ultravioleta que se encuentra a un corrimiento al rojo z=5. Crédito: Figura 5 del artículo original, Pope et al. 2017 (arXiv:1703.04535).

La Figura 3 presenta la relación del exceso de luminosidad infrarroja contra la pendiente ultravioleta para MACS0717_Az9 y galaxias observadas en ultravioleta que se encuentra a un corrimiento al rojo z=5. En ella se muestra que a pesar de que el 80% de las estrellas que se están formando dentro de MACS0717_Az9 se encuentran obscurecidas por polvo, su posición en el diagrama se encuentra más cerca de la predicción para la SMC (galaxia con poca atenuación por polvo) que de las polvosas galaxias con intensa formación estelar. Esto nos indica que la cantidad de polvo observada en esta galaxia es bastante modesta y la cantidad de elementos pesados de la galaxia parecería ser baja.

Así, podemos concluir que esta galaxia tiene las propiedades de las galaxias “típicas” que se espera encontrar en esta temprana edad del Universo. No es masiva, tiene una concentración de polvo menor a la de las galaxias con intensa formación estelar y su cantidad de elementos pesados parecería ser baja. Entonces… si en esta joven edad del Universo calculamos la cantidad de estrellas formándose utilizando solamente datos ultravioletas u ópticos ¡nos estamos perdiendo de más de la mitad de la formación estelar total!, la cual está siendo obscurecida por el polvo.

 

Resultados del trabajo:

Consiguieron observar por primera vez en múltiples imágenes el polvo de una galaxia con formación estelar de baja luminosidad a un corrimiento al rojo mayor a 4. Además, encontraron que aproximadamente el 80% de la formación estelar que se está llevando a cabo en esta galaxia está oculta por el polvo. Por lo que si quieres conocer la cantidad de estrellas que se formaron en el pasado debes observar en longitudes de onda milimétricas (o al menos tomar en cuenta que parte de la formación estelar está oculta en el polvo).

Si quieres conocer otras aplicaciones de las lentes gravitacionales te recomiendo leas: Tensión entre CMB y lentes gravitacionales

Comentarios

Trackbacks/Pingbacks

  1. Pingback: Leyendo la época de Reionización | Astrobites en español - 20/02/2019

  2. Pingback: Sirenas espaciales y la expansión del Universo | Astrobites en español - 22/01/2019

  3. Pingback: ¡A estas galaxias les faltan metales! | Astrobites en español - 31/03/2018

Deja un comentario

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *