Una galaxia amplificada con brote de formación estelar

• Título: A Window on the Earliest Star Formation: Extreme Photoionization Conditions of a High-Ionization, Low-Metallicity Lensed Galaxy at z∼2∗
• Autores: Danielle A. Berg, Dawn K. Erb, Matthew W. Auger, Max Pettini, Gabriel B. Brammer
• Institución del primer autor: Center for Gravitation, Cosmology and Astrophysics, Department of Physics, University of Wisconsin Milwaukee
• Estado: Re-enviado a ApJ, Acceso libre en arXiv
• Astrobite original: One Magnified Starburts Galaxy por Caitlin Doughty

Un componente crucial para el entendimiento de la evolución de las galaxias es descubrir cómo son sus primeros años. Sin embargo, esto presenta un problema para los astrónomos ya que la mayoría de las galaxias tempranas se cree que fueron pequeñas y débiles y para colmo bastante distantes. Una solución alternativa simple sería estudiar galaxias cercanas que tienen propiedades similares a las progenitoras de galaxias más viejas con forma de la Vía Láctea o Andrómeda. El artículo de hoy cubre el análisis de una de esas galaxias.

Observaciones previas de la galaxia SL2So217 utilizando el telescopio espacial Hubble (HST, por sus siglas en inglés) ha revelado que es joven, pequeña y pobre en metales y formando cerca de 23 masas solares de nuevas estrellas por año. Las galaxias pequeñas como SL2S0217 son algunas veces  difíciles de observar a grandes distancias, ya que tienden a ser débiles. Sin embargo, esta galaxia está afortunadamente localizada detrás de una galaxia mucho más grande, a la cual produce un efecto de lente gravitacional y su luz está magnificada por un factor 17, simultáneamente distorsionada en forma de arco (Figura 1). Utilizando un modelo de las lentes, los astrónomos han sido capaces de reconstruir la verdadera apariencia de la galaxia, revelando un una forma grumosa e irregular.

Figura 1.- Izquierda: La galaxia y la lente en primer plano en los tres filtros del telescopio espacial Hubble, los tres contornos especifican las regiones cuya luz fue analizada. Derecha: La galaxia en el fondo sin lente, mostrando los contornos que corresponden a las regiones en el panel izquierdo. Extracto de las figura 1 del artículo original.

En el artículo de hoy, los autores utilizaron espectros de esta galaxia obtenidos con el telescopio Keck I, para estudiar un espectro que muestra fuertes líneas de emisión en el ultravioleta (Figura 2),  que probablemente viene de de la combinación del gas nebular alrededor de estrellas calientes y del medio interestelar (ISM, por sus siglas en Inglés). Estas características son altamente inusuales para galaxias con conrimiento al rojo 2, las cuales generalmente no muestran signos de emisión fuerte.

Figura 2.- El espectro de SL2SJ0217 se muestra en negro, mientras que la línea naranja muestra la ruta del espectro sumado de 1000 galaxias con corrimiento al rojo 2, para servir de comparación. La líneas punteadas azules y las líneas moradas segmentadas muestran las características nebulares y del medio interestelar, respectivamente. Las barras grises muestran las regiones del espectro que pueden estar contaminadas en las observaciones por las características espectrales de la atmósfera de la Tierra. Extracto de la figura 4 en el artículo original.

Con el fin de descubrir cómo son las condiciones en la galaxia real, los autores utilizaron el programa CLOUDY17 para modelar la química y la fotoionización que ocurre en el gas nebular y en el ISM, generando un espectro simulado. Variando los parámetros de entrada al modelo y comparando los espectros simulados y observados, los autores encontraron el mejor ajuste al modelo del espectro observado confirmando lo previamente encontrado: que el gas nebular de SL2S0217 es pobre en metales y está embebido en un campo de radiación dura. Este campo de radiación dura indica que hay una abundancia de fotones de alta energía en la galaxia.

Basándose en estos resultados, el mejor ajuste fue obtenido cuando se incluyeron los efecto de la evolución de una estrella binaria, indicando que esta galaxia contiene una alta fracción de estrellas binarias (lo cual generalmente no se presupone cuando se modelan poblaciones estelares). Sin embargo, una característica del espectro podría no ser reproducida, es decir, la particularmente fuerte y estrecha línea de emisión de He II (Figura 3). Incapaces de reproducir esta fuerte emisión utilizando solo fotoionización estelar, consideraron fuentes de ionización adicionales  para el gas, separadamente incorporando los efectos de choques y de  calentamiento por Núcleos Galácticos Activos (AGN), dentro del código de fotoionización para ver si estos podrían potencialmente causar el alto He II. Variando la velocidad de choque y el campo de radiación del AGN se encontró que aunque al incluir una fuerte ionización por choques o AGN dentro del modelo se aumenta la emisión predicha de He II, lo hace a expensas de sobreestimar la emisión en las otras líneas observadas. Por lo tanto, esta línea permanece sin explicación.

Figura 3.- El espectro observado de SL2SJ0217 se muestra en negro, mientras que el mejor ajuste del modelo se muestra en naranja. La mayoría de las características en emisión están bien ajustadas, con la excepción de la línea de He II, la cual está por encima de los predicho. Figura 12 del artículo original.

Otro asunto de interés en el espectro de SL2SJ0217 es su emisión de doble pico en Lyman alfa (Figura 4). La línea de Lyman alfa en emisión surge cuando un electrón en el orbital n=2 de un átomo de hidrógeno neutro cae dentro del orbital n=1, emitiendo un fotón con una longitud de onda de 1216 Angstroms. No es común ver emisión en Lyman alfa en una galaxia, pero la estructura de doble pico es menos típica. Afortunadamente, modelos simples han mostrado que la estructura de doble pico puede surgir en la emisión de Lyman alfa cuando los fotones se dispersan a través de un nube de gas con forma esférica o de cascarón alrededor de una región de formación estelar. Las alturas de los picos desiguales pueden ser atribuidas a gas cayendo dentro de la nube. Entonces, SL2SJ0217  parece estar hospedando un inflow (el gas cayendo dentro de la nube), el cual podría también explicar su actividad de formación estelar.

Figura 4.- El doble pico en emisión de SL2SJ0217 en Lyman alfa. Las líneas segmentadas rojas muestran la velocidad promedio de las características en absorción en el espectro (no se muestra), la línea segmentada negra muestra la velocidad sistemática de la galaxia, mientras que la línea sólida azul muestra el solapamiento de los perfiles gaussianos utilizados para ajustar la emisión. Figura 6 del artículo original.

Sobre todo, es claro que esta galaxia tiene muchas características únicas que la distinguen de  otras en su misma época cósmica. Sin embargo, la emisión fuerte de He II no es explicada y los autores especulan que los mejores modelos de estrellas masivas pobres en metales son necesarios con el fin de explicar enteramente la emisión nebular observada. Si SL2SJ0217 es de hecho representativa de las primeras generaciones de galaxias, hay aun algo de trabajo por realizar antes de poder entenderlas completamente.