estás leyendo...
Clasicos, Uncategorized

Galaxias jóvenes – Parte I

Título: Galaxies in the First Billion Years After the Big Bang
Autores: Stark, Daniel P.
Institución del primer autor: Steward Observatory, University of Arizona, Tucson, Arizona.
Estado: Publicado en The Annual Review of Astronomy and Astrophysics.

En el artículo de hoy hablaremos de las galaxias a alto redshift (muy lejanas y por ende muy antiguas también), las cuales observamos poco después de su nacimiento. Estas galaxias son importantes, dado que nos abren una ventana para entender la formación y evolución de las galaxias en general. Para esto, nos basamos en un artículo review publicado el año pasado en la revista ARAA de alto impacto científico. Este artículo resume esta área de investigación, dando a conocer los principales resultados en términos de observaciones y estudios que revelen sus propiedades.

Como la información es mucha, dividiremos este artículo en 2 partes. En la primera hablaremos sobre cómo encontrar estas galaxias y las estadísticas actuales, mientras que en la segunda parte nos enfocaremos en sus propiedades y su papel en las primeras etapas de formación del Universo.

Observaciones

Lo más cercano al Big Bang que hemos podido observar directamente es el fondo de radiación de microonda (CMB por sus siglas en inglés), el cual nos muestra el Universo una 400.000 años después de su origen. Después de eso, nuestras observaciones más lejanas corresponden a las de galaxias, aproximadamente mil millones de años más tarde. Estas galaxias han sido observadas en primera instancia con el telescopio espacial Hubble (HST en inglés), el cual causó una revolución desde que fue puesto en órbita en 1990, y que sigue produciendo gran parte de los descubrimientos más interesantes en términos de origen y primeras etapas del Universo.

Figura 1: Imagen del telescopio espacial Hubble, el cual ha observado los objetos más lejanos en el Universo de los que se tiene registro. Crédito: De Ruffnax (Crew of STS-125)

Los últimos cinco años aproximadamente, han sido particularmente excitantes en términos de la cantidad de galaxias observadas a alto redshift, principalmente gracias a las campañas llevadas a cabo con la Cámara de Gran Angular 3 (WFC3 por sus siglas en inglés) que se instaló en el HST en 2009, cuyas características son ideales para observar galaxias lejanas. Para encontrar estas galaxias, sin embargo, se necesitan observaciones especializadas, dado que no es tan simple como fotografiar cualquier parte del cielo esperando encontrarlas. Hay que planear las longitudes de onda que se usarán, cantidad de tiempo para alcanzar las luminosidades deseadas, etc.

Técnicas de Selección

Las técnicas para encontrar estas galaxias son fotométricas, es decir, basadas en sus colores. Como sabemos, la manera más confiable es observar el espectro completo (una descomposición de la luz emitida por el objeto versus longitud de onda), pero esto no es posible dada la cantidad de recursos que requiere, por lo que se observan los colores de las galaxias vía imágenes, lo cual permite abarcar mayores áreas y hallar más objetos. Es importante entender que los colores en astronomía corresponden a la diferencia de las magnitudes en dos filtros.

  • Quiebre de Lyman. Este método es el más eficiente, y se sustenta en el hecho de que el elemento más abundante en el Universo es el hidrógeno neutro. Imaginemos una galaxia lejana. Su luz viajará una distancia enorme. En ese viaje, estos fotones se encontrarán con muchas galaxias y gas en el camino, cuyo mayor componente es el hidrógeno neutro. Todos los fotones que han sido emitidos en la longitud de onda de la transición del hidrógeno neutro (serie de Lyman, bosque de Lyman-alfa), serán absorbidos si se encuentran con átomos de este elemento (abajo puedes ver una animación sobre esto). Dado que es tan abundante, y que se puede encontrar en todo el Universo, esta absorción será una especie de “huella” en el espectro que observamos del objeto, y la veremos a cualquier longitud de onda hasta cierto límite que depende del redshift de la galaxia.
    Si se observa un objeto en 3 filtros o más, se puede detectar este “quiebre” en el espectro. Dos de los filtros estarán más a la derecha del quiebre, por lo que se espera flujo ahí. Mientras otro estará más a la izquierda, donde no se espera flujo. Obviamente, mientras más filtros haya, más seguro es que el objeto sea una de estas galaxias y no un contaminante o fallo de la cámara.

 

  • Emisores de Lyman-alfa. La línea se espera observar en todas las galaxias, dados que se produce por el hidrógeno que, como mencionamos antes, es el elemento más abundante en el Universo. Para observar esta línea, se toma una imagen con un filtro ancho y uno delgado, cuyas longitudes de onda abarquen la longitud a la cual se espera esta emisión. Luego, se compara el flujo de los objetos en estos dos filtros, y si es particularmente brillante en el filtro delgado, eso indica una línea de emisión. Este método ha sido muy eficaz hasta redshift 6, pero luego de eso es menos eficiente dado que no todas las galaxias mostrarán esta emisión. Esto es producto de la Reionización que se produce en esta época, y que impide a fotones producidos ahí escapar y alcanzarnos.
  • Galaxias con polvo que forman estrellas. Estas corresponden a galaxias que forman estrellas a tasas excepcionales. Son muy luminosas en el infrarrojo, ya que la formación estelar produce grandes cantidades de polvo. De esta manera, observando sus colores con HST y un telescopio infrarrojo como Spitzer, es posible identificarlas.
  • Explosiones de Rayos Gamma. Cuando se produce una explosión de rayos Gamma, queda un residuo muy luminoso. Estas explosiones suceden en las galaxias, por lo que cuando pasa en galaxias muy lejanas, podemos observar el espectro de estos rayos Gamma, e inferir propiedades de la galaxia en la que se produjo.

Figura 2: Imagen de la galaxia más lejana conocida hasta hoy, GN-z11. Créditos: NASA y ESA.

 

Resultados Actuales

Con los métodos explicados anteriormente, se han encontrado las galaxias a alto redshift. Para tener una idea, se han encontrado:

  • Millones de galaxias cercanas.
  • Decenas de miles a redshift 6, cuando el Universo tenía alrededor de mil millones de años.
  • Aproximadamente mil galaxias en el rango de redshift 6-8, que abarca entre 600 y mil millones de años desde el Big Bang.
  • Sólo decenas a redshift mayor que 9-10, o 500 mil millones de años después del Big Bang. (La Figura 2 muestra un ejemplo de una galaxia a redshift 11).

Como podemos ver, la identificación de galaxias a alto redshift decrece rápidamente. Se espera que esto cambien rápidamente con el lanzamiento del telescopio espacial James Webb, una suerte de HST más potente.

En la próxima entrega hablaremos sobre las propiedades de estas galaxias y más!

 

Comentarios

Aún no hay comentarios.

Deja un comentario

Tu dirección de correo electrónico no será publicada.