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¿Qué galaxias acumulan mayor riqueza?

Título del artículo original: Elemental Abundances and Ages of z∼0.7 Quiescent Galaxies on the Mass-Size Plane: Implication for Chemical Enrichment and Star-Formation Quenching
Autoras/es: Aliza G. Beverage, Mariska Kriek, Charlie Conroy, Rachel Bezanson, Marijn Franx, Arjen van der Wel
Institución de la primera autora: Department of Astronomy, University of California, USA
Estado de la publicación: enviado a Astrophysical Journal Letters, de acceso abierto en arxiv

Si les digo que piensen en la “riqueza” quizás les vengan a la mente unos pequeños objetos redondos y metálicos llamados “monedas”, cuya colección suele hacer la vida más fácil y agradable. Pues hoy no vamos a hablar de esos objetos, pero sí de riqueza “en metálico”.

Los tres componentes del universo

El universo está formado únicamente por tres componentes: hidrógeno, helio y todo lo demás. Puede parecer una broma, pero en astronomía todo lo que no es hidrógeno ni helio lo etiquetamos como “metales” (el 2% de la materia visible). Así, cuando hablamos de la “metalicidad” de una galaxia, nos referimos a cuán rica es en “metales” (hierro, magnesio, litio…). Pero, ¿cómo se forman los metales?

A grandes rasgos, las estrellas son las principales fábricas metalúrgicas del universo: a partir del hidrógeno y helio formados en el Big Bang, generan una gran variedad de elementos que se liberan al medio interestelar cuando mueren. Así, cuantas más generaciones de estrellas se hayan sucedido, mayor metalicidad. Al menos, en teoría.

Hierro y magnesio, “monedas” para medir la riqueza de las galaxias

El artículo del que hablamos hoy estudia la metalicidad de 68 galaxias gracias a espectros muy detallados del catálogo LEGA-C (Large Early Galaxy Astrophysics Census). Un espectro es lo que se obtiene al separar la luz en sus distintas longitudes de onda (Figura 1). Y como cada elemento produce absorciones o emisiones a longitudes de onda concretas, estudiándolas podemos averiguar la cantidad de dicho elemento. Por ejemplo: el espectro de la Figura 1 corresponde a una de las galaxias del artículo, que presenta absorciones de hidrógeno (HI), magnesio (MgI) y hierro (FeI). Así que ajustando un modelo (línea roja) al espectro (línea negra) podemos obtener la cantidad de estos tres elementos en la galaxia. La metalicidad será la cantidad de metal dividida por la de hidrógeno, lo cual escribimos como [Mg/H] o [Fe/H], según si es magnesio o hierro.

Línea negra con tendencia ligeramente ascendente que presenta frecuentes subidas y bajadas. Se marcan algunas bajadas especialmente intensas. Una línea roja muy similar se superpone a la negra.
Figura 1: Espectro de una de las galaxias estudiadas (línea negra) y el modelo ajustado (línea roja). Se marcan líneas espectrales de elementos relevantes. Crédito: adaptada de la Figura 1 del artículo original (Beverage et al 2021).

¿De qué depende la riqueza en las galaxias de la muestra?

Las galaxias del estudio tienen aproximadamente redshift 0.7. El redshift, en este caso, nos sirve para saber cómo de lejos está una galaxia en el tiempo. Así, redshift 0 sería la actualidad mientras que redshift 0.7 significa ver las galaxias tal como eran hace 7 giga-años. El equipo firmante del artículo no sólo estudia la metalicidad de las galaxias, sino también si cambia con el redshift.

Además, investigan si la metalicidad tiene relación con otras propiedades como la edad, masa y tamaño de la galaxia. Estas relaciones se han estudiado hasta redshifts bastante altos en galaxias en las que se están formando estrellas, ya que sus espectros tienen intensas líneas de emisión generadas por el gas creador de las estrellas. Gracias a esto sabemos, por ejemplo, que cuanto más masivas sean estas galaxias mayor metalicidad tienen, al menos hasta redshift 3.5. Por el contrario, cuando en una galaxia no se está formando estrellas apenas tiene gas, siendo sus líneas espectrales de absorción y, además, mucho más débiles. Así, la relación masa-metalicidad en galaxias “apagadas” (sin formación estelar) no se ha podido comprobar mucho más allá de redshift 0. ¡Pero el artículo presenta espectros detallados de galaxias “apagadas” a redshift 0.7! ¿Esconderán alguna sorpresa?

El secreto no está en la masa

El equipo encuentra que no hay relación entre metalicidad ([Mg/H] y [Fe/H]) y masa, aunque esto no es sorprendente: son galaxias masivas, y ya se sabía que por encima de cierta masa la metalicidad se mantiene constante aunque siga aumentando la masa (Figura 2, columna izquierda). Sin embargo, sí encuentran relación entre la metalicidad y el tamaño de las galaxias: a menor radio, mayor metalicidad. Teniendo estos dos resultados en cuenta, se deduce que cuanto más compacta la galaxia, mayor metalicidad (Figura 2, columna derecha). Esto se relaciona con el potencial gravitatorio, de manera que las galaxias compactas pueden mantener atrapados los metales, pero a las menos compactas se les escapan al medio intergaláctico y quedan con menor metalicidad. Es la primera vez que se observa algo así para galaxias masivas y “apagadas” más allá de redshift 0.1.

Por otro lado, encuentran que la relación magnesio-hierro ([Mg/Fe]) no varía con la masa, edad, ni con lo compacta que sea la galaxia, lo que concuerda con lo encontrado a menores redshifts en otros estudios. Por lo tanto, el tiempo que las galaxias pasan formando estrellas no dependería de la masa que tengan.

Cuatro paneles organizados en dos columnas según si el eje horizontal es la masa o el cociente masa-radio. El eje vertical en la fila superior es el cociente magnesio-hidrógeno, y en la fila inferior, hierro-hidrógeno. En cada panel hay una nube de puntos con una línea superpuesta que indica la tendencia.
Figura 2: Propiedades de la muestra de galaxias según su masa (columna izquierda) y lo compacta que sea (columna derecha). Cada punto representa una galaxia y la línea negra sólida indica la tendencia de la muestra. El eje vertical representa la metalicidad: [Mg/H] (paneles superiores) o [Fe/H] (paneles inferiores). Crédito: adaptada de la Figura 3 del artículo original (Beverage et al 2021).

La edad y el redshift también cambian la metalicidad, ¡vaya lío!

El equipo encuentra que la edad también influye en la metalicidad de las galaxias “apagadas”: en un mismo redshift (0.7) las más viejas tienen menor metalicidad. Además, encuentran que las galaxias a redshift 0.7 (las observadas como eran hace 7 giga-años) tienen mayor metalicidad que las galaxias a redshift 0 (las actuales) con la misma masa. Pero, ¿no dijimos que las galaxias “apagadas” no forman estrellas? Entonces, ¿cómo pueden cambiar su metalicidad? El equipo estudia varias hipótesis para descubrirlo.

El hecho de que las galaxias absorban otras galaxias satélites no es una explicación válida, ya que estas tienen menor masa y por tanto menor metalicidad, lo que haría disminuir la metalicidad total. Pero hay una explicación más emocionante: las galaxias, como hemos visto, pueden dejar de formar estrellas cuando se quedan sin gas. Y una forma de quedarse sin gas es expulsarlo violentamente, como ocurre en los núcleos activos de galaxias: el agujero negro supermasivo que vive en el núcleo de la galaxia expulsa grandes chorros de materia hacia afuera (Figura 3), vaciándola del gas que le permitiría seguir formando estrellas.

Galaxia vista de canto sobre fondo estrellado. Grandes chorros de gas salen hacia arriba y hacia abajo de la galaxia.
Figura 3: Galaxia con chorros de gas expulsados por su núcleo activo (AGN). Crédito: ESO / WFI (Óptico); MPIfR / ESO / APEX / A.Weiss et al. (Submilímetro); NASA / CXC / CfA / R.Kraft et al. (Rayos X).

En ese caso, las galaxias que tardan más en quedarse sin gas tendrán mayor metalicidad que las que se “apagan” antes, ya que habrán tenido más tiempo para seguir aumentando su metalicidad. Esto también explica que para un mismo redshift las galaxias “apagadas” más jóvenes tengan mayor metalicidad: si las estrellas más jóvenes se formaron más recientemente, la galaxia no se “apagó” hasta más tarde y su metalicidad siguió aumentando durante más tiempo. ¡Misterio resuelto!

Entonces, ¿cómo puedo enriquecerme?

En resumen, el estudio del que hemos hablado hoy da algunos consejos que te vendrán bien si eres una galaxia y quieres enriquecerte: para empezar, engorda. Pero ¡ojo! no te pases, porque una vez que alcances cierta masa, seguir engordando no te hará más rica. Lo que sí te ayudaría, es ser más compacta ya que podrás retener mejor tus metales, así que si puedes hacerte un poco más pequeña, mejor. Eso sí, ten muy claro que al envejecer te irás haciendo cada vez menos rica, porque hagas lo que hagas, tu agujero negro central estará tirando todo tu gas al espacio. ¡Mala suerte!

Acerca de Guayente Panizo Espinar

Nací y crecí en la isla de Lanzarote (Canarias, España), y tras completar mis estudios de Física y Astrofísica me embarqué en la aventura del doctorado en el Instituto de Astrofísica de Canarias. Haciendo mi Trabajo Final de Grado conocí las estrellas binarias y fue un flechazo, así que ahora dedico mi tesis a investigar binarias de rayos X poco masivas, principalmente analizando espectros ópticos. Me gusta leer (especialmente ciencia ficción), jugar a rugby y la divulgación.

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