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Desenterrando los cúmulos estelares más jóvenes y masivos

Título: Forming Super Star Clusters in the Central Starburst of NGC 253
Autores: Adam K. Leroy, Alberto D. Bolatto, Eve C. Ostriker, Fabian Walter, Mark Gorski, Adam Ginsburg, Nico Krieger, David S. Meier, Elisabeth Mills, Juergen Ott, Erik Rosolowsky, Todd A. Thompson, Sylvain Veilleux, Laura K. Zschaechner
Institución del primer autor: Departamento de Astronomía, The Ohio State University, E.E.U.U.
Estatus: Publicado en Astrophysical Journal

Hace mucho, mucho tiempo, las galaxias se encontraban en una competencia por formar estrellas. Intensos estallidos de formación estelar ocurrín tanto en los centros de las galaxias aisladas como en las zonas de choque entre galaxias en colisión. Es justo en esta época del Universo cuando se cree que comenzaron a formarse los grupos estelares más viejos de las galaxias. Los cúmulos globulares, más de diez mil veces la masa del Sol en estrellas unidas gravitacionalmente en volúmenes menores a esferas con radios de decenas de parsec (~ 33 Años Luz). Actualmente se cree que cuando los cúmulos globulares se formaron, éstos tenían las mismas propiedades que los denominados súper cúmulos estelares. Estos últimos, descubiertos hace poco más de 30 años en galaxias en interacción y/o starburst son cúmulos jóvenes (Edad < 107 años), muy masivos (Masa ≥ 104 MSol) y de compacto tamaño (Radio < 10 pc).

Figura 1. (Izquierda) Imágen a 8μm de NGC 253 tomada por el instrumento IRAC para el proyecto Local Volume Legacy. (Derecha) Acercamiento al centro de la galaxia. Zona de estudio en este trabajo. Crédito: Figura 1 del artículo original (arXiv:1804.02083).

NGC 253 es una galaxia cercana, espiral y con una barra que alimenta un intenso brote de formación estelar (Figura 1, Izquierda). ¡Cada año una cantidad de gas el equivalente en masa a dos Soles se convierte en estrellas! Tiempo atrás, utilizando el Telescopio Espacial Hubble (HST, por sus siglas en Inglés) se había identificado que esta galaxia contiene un súper cúmulo estelar de tan sólo 6 millones de años de edad. La brillante luz emitida por este súper cúmulo estelar es altamente oscurecida por el polvo que se encuentra a su alrededor (AV ~ 17 mag). Esto llevó a suponer a los autores de este trabajo que en esta galaxia deberían de existir más objetos como éste o incluso más jóvenes. Sin embargo, éstos deberían estar completamente enterrados entre polvo, por lo que no podrían ser observados en longitudes de onda ópticas o incluso infrarrojas. ¡Y estaban en lo cierto! Utilizando imágenes tomadas con dos grandes arreglos de antenas: ALMA (ondas milimétricas y submilimétricas) y el VLA (ondas de radio), los autores de este trabajo consiguieron identificar 14 candidatos a proto súper cúmulos estelares.

¿Cómo descubrir súper cúmulos estelares en formación?

El mapa a 8 micras de NGC 253 (Figura 1, Izquierda) presenta la distribución de pequeños granos de polvo que están siendo calentados por la luz ultravioleta que emiten las estrellas masivas recién formadas en la galaxia. En la imagen el recuadro muestra la zona de interés para este trabajo, justo en la zona nuclear del centro de la galaxia (Figura 1, Derecha). En esta se albergan cerca de 10 nubes moleculares y una alta cantidad de gas de alta densidad.

Figura 2. Mapa de la zona central del núcleo NGC 253 (ver Figura 1, Derecha) a 350 GHz tomado con el arreglo de antenas ALMA. Se identifican los 14 proto súper cúmulos estelares identificados. Crédito: Figura 1 del artículo original (arXiv: 1804.02083).

La Figura 2 presenta el mapa de NGC 253 de la emisión a 350 GHz (λ ~ 850 μm), obtenido con el arreglo de antenas ALMA. En esta imagen se revela la emisión térmica de grandes granos de polvo distribuida en 14 picos compactos inmersos en una red extendida. Esta emisión del polvo puede modelarse utilizando la aproximación de Rayleigh-Jeans (Figura 3) con temperaturas de brillo entre 0.5 y 1 K. Los tamaños de estos picos, así como la cantidad de gas y polvo con una estimación de 104 a 106 MSol sugieren que estos grumos son súper cúmulos estelares en formación.

Figura 3. Comparación entre la ley de Planck y la ley de Rayleigh-Jeans para la distribución espectral de energía emitida por un cuerpo negro en función de la frecuencia. Crédito: Ana Torres Campos

 

 

 

¿Contienen estrellas masivas?

En la Figura 4 (Derecha) se observa que estos 14 picos se encuentran rodeados de grandes reservas de gas (detectado por la transición rotacional de 3-2 de la línea en emisión del Monóxido de Carbono o CO). Aparte, el mapa a 36 GHz (Figura 4, izquierda) traza la emisión libre libre generada por fotones ionizantes emitidos por estrellas masivas jóvenes. Mientras que la emisión de continuo en longitudes de onda del infrarrojo lejano (Figura 4, derecha) muestra que una alta cantidad de fotones energéticos emitidos por estrellas masivas están siendo completamente oscurecidos por el polvo. La extinción es tan alta que ¡en la banda J del infrarrojo alcanza las 30 magnitudes! Por lo tanto una alta cantidad de polvo oscurecedor es capaz de esconder los luminosos cúmulos en el corazón de NGC 253.

Figura 4. (Izquierda) Mapa de CO 3-2 mostrando que los candidatos a proto súper cúmulos estelares se encuentran inmersos entre grandes reservas de gas. (Derecha) Mapa de emisión continua a 36 GHz mostrando la emisión libre-libre de fotones energéticos emitidos por estrellas masivas dentro de los proto súper cúmulos estelares. Crédito: Figura 2 del artículo original (arXiv: 1804.02083)

Finalmente, los autores de este artículo asumen algunas suposiciones para estimar la masa en gas y estrellas de estos proto cúmulos estelares. Y así concluyen que estos proto cúmulos son lo suficientemente jóvenes (menores a 3 millones de años) como para que las estrellas masivas no hayan alcanzado la etapa de explosiones de supernova. Además, la presión de radiación ejercida por la luz emitida por las estrellas en el polvo que la oscurece dificulta el colapso gravitatorio del gas. Sin embargo, no es suficiente como para detener la caida del gas hacia el proto súper cúmulo estelar y detener la  formación de más estrellas. Con los resultados obtenidos en este trabajo se puede generalizar en que la formación de los súper cúmulos estelares tiene una duración aproximada de 1 millón de años, después de lo cual los vientos de las estrellas y explosiones de supernovas dispersará la nube de gas y polvo en donde se formó. Para conocer más sobre cómo los súper cúmulos estelares se liberan de sus capullos de gas y polvo lee este astrobito.

Los autores concluyen que estos varios de estos 14 objetos deben de ser, en realidad, súper cúmulos estelares en formación. Sin embargo, algunos de ellos podrían ser en verdad múltiples cúmulos estelares poco masivos. Pero para estar seguros se requerirán de observaciones futuras con mayor resolución espacial, como la que podrá presentar la nueva generación del VLA.

Si quieres conocer más sobre las incógnitas alrededor de objetos ancestrales que pasan su vida circundando las galaxias en las que residen te recomiendo leas “Sobrevivientes de un universo extremo“. O si quieres adentrarte más en la búsqueda de proto estrellas, entonces te puede interesar “Buscando las estrellas antes de formar“.

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