Una Galaxia a z ∼ 13: ¿sí o no?

Título original: “To see or not to see a z~13 galaxy? That is the Question. Targeting the [CII]158 μm emission line of HD1 with ALMA”

Autoras/es: Melanie Kaasinen, Joshiwa van Marrewijk, Gergö Popping, et al. 

Institución de la primera autora: European Southern Observatory, Karl-Schwarzschild-Str. 2, D-85748, Garching, Germany

Estado del artículo: Enviado a A&A (Acceso abierto en arXiv: https://arxiv.org/pdf/2210.03754.pdf)

Una de las grandes preguntas de la Astronomía Moderna es cuándo se formaron las primeras galaxias. Las teorías sobre formación de estructuras, diversas simulaciones, e incluso observaciones, implican que deberían haberse formado a un corrimiento al rojo (o redshift) de z = 14 – 15, pero confirmarlo (o rechazarlo) aun es un desafío. 

Hasta ahora, la galaxia con el corrimiento al rojo más alto que ha sido confirmada es GN-z11 (en este astrobito puedes leer más en detalle sobre esta galaxia), que se encuentra a z = 11.1, es decir, se formó tan sólo 400 millones de años después del Big Bang  (ver Figura 1). 

Saber cuándo aparecieron las primeras galaxias tendrá importantísimas implicancias para las teorías actuales sobre formación de grandes estructuras en el Universo, para la física bariónica y para la Cosmología. (Puedes leer más al respecto en este artículo).

Figura 1: La galaxia GN-z11, hasta ahora la más lejana confirmada. (Crédito: NASA, ESA, P. Oesch (Yale University), G. Brammer (STScI), P. van Dokkum (Yale University), and G. Illingworth (University of California, Santa Cruz) 

Identificando galaxias lejanas

Para encontrar las potenciales primeras galaxias, se han utilizado dos métodos fotométricos hasta ahora. Esto quiere decir que son métodos donde se analiza la magnitud de los objetos en diferentes longitudes de onda. 

El primer método es buscar galaxias que presentan una “bajada” o “break” en sus espectros de la línea de hidrógeno Lyman alfa (Lyα) (puedes leer más sobre esta línea en este astrobito), hacia longitudes de onda azules. Esta bajada ocurre porque el hidrógeno neutro que existía en el Universo temprano absorbe los fotones UV. Para galaxias a z > 10, este “break” aparece en las bandas del infrarrojo cercano. 

Muchas galaxias candidatas han sido descubiertas usando este método y el Telescopio Espacial Hubble (HST), incluyendo la galaxia GN-z11. Actualmente, con el Telescopio Espacial James Webb (JWST) y la Cámara de Infrarrojo Cercano NIRCam, candidatas incluso más lejanas ya han sido identificadas. 

El segundo método consiste en identificar el color [3.6]-[4.5] μm de IRAC Spitzer, que corresponde a la cámara infrarroja de este telescopio espacial. Este color que se detecta con este instrumento debido a que es un color infrarrojo, también se conoce como “IRAC excess” o “exceso IRAC”, y se cree que proviene de intensa emisión de [OIII]λλ4959,5007 Å, y de Hβ en la banda de 4.5 μm. Estas líneas normalmente aparecen en el rango óptico del espectro electromagnético, pero debido al corrimiento al rojo de las primeras galaxias, en ellas se encontrarían en el infrarrojo. 

Ambos métodos son muy eficientes proponiendo candidatas con alto corrimiento al rojo, pero se requieren observaciones espectroscópicas para confirmar el corrimiento al rojo que se propone. Además, confirmar galaxias a más de z ~ 7 aun es desafiante, ya que la línea Lyα se atenúa en galaxias de la Época de Reionización (20 < z < 6; en este astrobito puedes leer más detalles sobre esto), debido a las columnas de hidrógeno neutro que las rodean.

Un desafío de la Astronomía Moderna 

En diciembre de este año deberían ver la luz los primeros resultados obtenidos con el espectrógrafo de JWST, NIRSpec. Pero por ahora la mejor forma de confirmar galaxias candidatas con alto corrimiento al rojo es a través de las emisión de las líneas [OIII]88 μm y [CII]158 μm, usando el Arreglo Grande Sub- y Milimétrico de Atacama, ALMA, incluso para galaxias a z > 10. 

Con ALMA, Spitzer y HST, se han confirmado galaxias a z ~ 8 – 9, y también se ha usado ALMA para confirmar o rechazar algunas candidatas a z > 12, pero los resultados aun no han sido concluyentes. Para algunas de esas galaxias confirmadas a z = 8 – 9, los modelos implican que la mayor parte de su masa estelar debería haber estado formada a z = 14 – 15, lo cual también es corroborado con simulaciones de las primeras galaxias. Sin embargo, aun no hemos podido confirmar las primeras galaxias espectroscópicamente. 

¿La primera galaxia a z ~ 13?

En abril de este año se presentó evidencia para una posible galaxia a z ~ 13, a la cual llamaron HD1. Se propuso que esta galaxia se encuentra a z ~ 13.27, es decir, se habría formado unos 320 millones de años después del Big Bang (ver Figura 2 y Figura 3). 

Figura 2: La galaxia más lejana confirmada y la nueva candidata HD1. En la imagen se muestra cuándo se habrían formado en el contexto de la evolución del Universo (Crédito: Harikane et al., NASA, ESA, y P. Oesch (Yale University). Figura adaptada).

Figura 3: La galaxia candidata a encontrarse a un corrimiento al rojo de z ~ 13, HD1, con el telescopio VISTA (Crédito: Harikane et al.) 

El corrimiento al rojo propuesto es basado según el potencial “Lyman break” de la galaxia, y en una detección de 3.8σ a ≈ 237.8 GHz con ALMA, que podría corresponder a la línea [OIII]88 μm, si realmente fuera una galaxia al corrimiento al rojo que se propone. De confirmarse esta galaxia, se convertiría en la más lejana detectada hasta ahora. Los y las autoras del artículo intentan detectar la emisión [CII]158 μm con ALMA según este escenario.  

Al analizar los datos de HD1, encuentran que éstos son ambiguos, ya que la distribución de energía espectral (o SED, por sus siglas en inglés) de este objeto, también podría corresponder a una galaxia a z ~ 4 con una tasa de formación estelar baja. En este caso, la emisión de 3.8σ correspondería a la línea C-O(9-8) ó C-O(10-9); o bien, la detección podría ser simplemente ruido aleatorio. 

Para distinguir entre todos los posibles escenarios, los y las autoras realizan observaciones con ALMA para cubrir la frecuencia donde se encontraría la línea [CII]158 μm. Esta línea no sólo serviría para confirmar el corrimiento al rojo de la galaxia HD1, sino que también nos daría pistas sobre el medio interestelar, como el estado de ionización y la metalicidad. 

Al analizar los espectros (ver Figura 4), se espera que la línea [CII]158 μm para una galaxia a z = 13.27, se encuentre a una frecuencia de 133.18 GHz. Sin embargo, los y las autoras señalan que no se detecta ninguna emisión en la frecuencia y lugar esperado. Aunque sí pareciera haber alguna línea a ~133.27 GHz, que en el artículo llaman “línea [CII]158 μm tentativa”. Por otro lado, señalan que la línea [OIII]88 μm se encuentra a una frecuencia de ~237.8 GHz. Los y las autoras realizan pruebas adicionales para saber si realmente se detectan ambas emisiones donde se espera o no, pero los resultados son más consistentes con que las emisiones correspondan a ruido.

Figura 4: Espectro de apertura integrado de HD1 alrededor de la frecuencia esperada para las líneas [CII]158 μm (arriba) y [OIII]88 μm (abajo). Los espectros son presentados en términos de la proporción de señal al ruido, en vez de densidad de flujo, para poder comparar los espectros obtenidos con diferentes aperturas. Arriba: se usan aperturas de 2.8″ y 3.5″. Abajo: se usan aperturas de 0.5″ y 1″. (Crédito: Figura 1 del artículo, adaptada). 

No todo está perdido 

Los y las autoras señalan que HD1 podría ser una galaxia pasiva a z ~ 4, o una galaxia a z ≥ 13. Aunque no se detecten emisiones significativas con ALMA que correspondan a las líneas [CII]158 μm ó [OIII]88 μm, este resultado no implica descartar que HD1 sea una galaxia a z ~ 13, ya que una no-detección se podría explicar con una baja metalicidad del medio interestelar y una baja densidad del gas.   

Se podría usar una detección segura con ALMA de las líneas anteriormente mencionadas para confirmar el corrimiento al rojo de la galaxia, pero una no-detección no se puede usar para descartar por completo este escenario. De todas formas, para determinar dónde se encuentra y qué tipo de galaxia es HD1, se va a requerir espectroscopía obtenida con JWST/NIRSpec. Una vez que se pueda confirmar el corrimiento al rojo, las observaciones con ALMA pueden ayudar a constreñir la metalicidad del medio interestelar de las primeras galaxias. 

Así que aunque aun no esté confirmada esta galaxia, estamos cada vez más cerca de seguir rompiendo récords de la “galaxia más lejana confirmada hasta ahora” en los próximos meses (o años).