Mapas de colores de galaxias espirales, una herramienta para explorar poblaciones estelares

• Autora invitada: Sofía Guevara Montoya

Sofía es estudiante de pregrado del programa de física en la Universidad Nacional de Colombia. Ella realizó su proyecto como parte del RECA Program Internship 2022 bajo la supervisión de la Dra. Karín Menéndez-Delmestre del Observatorio de Valongo de la Universidad Federal de Rio de Janeiro. 

En astronomía tenemos una definición muy específica del concepto de “color”. Para observar el universo utilizamos filtros diferentes en nuestros telescopios, donde cada filtro limita la luz que puede pasar. Aún cuando apenas consideramos la emisión de astros en la región del espectro electromagnético que corresponde a la luz óptica (accesible a nuestros ojos), subdividimos ese intervalo de longitudes de onda en diferentes “bandas”. El “color” se refiere a la diferencia de magnitud entre dos bandas – si una región es más brillante en una banda que cubre longitudes de onda menores que otra, decimos que esta región es “más azul”; al medir el color de esta región usando su brillo en dos bandas, su brillo relativo es mayor en la banda más azul. Decimos entonces que un sistema es más rojo o más azul que otro. Por un lado es una simple descripción de la luz que domina esa región, pero también tiene fuertes implicaciones sobre la edad estelar, composición química y hasta el contenido de polvo que esta región contiene. Estudiando la distribución de colores en galaxias, podemos decir mucho sobre la historia de formación de diferentes regiones galácticas.

Las galaxias espirales se caracterizan por presentar diferentes colores en diferentes regiones galácticas, ya que, en general, poseen el bulbo más rojo que su disco. Esta variación de color al rojo se debe a uno de tres factores o a una combinación de estos. El primero de ellos es que una región galáctica más roja puede indicar una población estelar más antigua, debido a que las estrellas en esa región emiten más fuertemente en la región del espectro electromagnético que corresponde al color rojo. El segundo factor es que el color rojo puede ser debido a la presencia de polvo; el polvo afecta más fuertemente el paso de las ondas electromagnéticas con longitudes de onda más cortas (que corresponde, en las bandas ópticas, a la luz azul), dejando pasar con más facilidad las ondas que corresponde a la luz más roja. El último factor es que una galaxia puede tener una composición más rica en metales, por lo que habrá mayor opacidad en las bandas del espectro azul, resultando una emisión mayor de luz roja [1]. No es sencillo determinar cuáles de esos factores son responsables por el color de una región galáctica. Por esto desarrollamos herramientas que nos ayudan a reconocer las poblaciones estelares de cada componente de la galaxia.

El presente trabajo explora las tendencias de color en galaxias cercanas, usando como ejemplo la galaxia NGC 0986, una galaxia disco tipo espiral barrada ubicada en la constelación de Fornax con una distancia de 23.2 Mpc [2]. Construimos mapas de color para determinar la distribución de colores en las diferentes regiones de la galaxia, e.g., bulbo, disco, barra, entre otros. Para esto, utilizamos imágenes reducidas de la galaxia NGC 0986 en cuatro bandas ópticas (g, r, i y z). Estas observaciones fueron ejecutadas como parte del proyecto CANGA (Census of Austral Nearby Galaxies; PIs: Karín Menéndez-Delmestre, Thiago S. Gonçalves), un programa observacional en progreso con el telescopio SOAR en Chile. La intención de CANGA es reconstruir la historia de formación píxel a píxel de centenas de galaxias accesibles desde el hemisferio Sur.

Los filtros usados en CANGA nos permiten cuantificar la emisión luminosa en ventanas específicas de longitud de onda: las bandas g, r, i y z nos ofrecen ventanas de acceso centradas en 4770, 6231, 7625 y 9134 Å, respectivamente. Considerando la variación en longitud de onda, decimos que la banda g es la más azul entre estas y la banda z es la más roja. Con estas 4 bandas podemos construir varias combinaciones para determinar el color de una región: g-r, g-i, g-z, r-i, r-z, i-z. Por convención, siempre expresamos el color con la banda más azul en primer lugar en estas combinaciones. Decimos que una región es más roja que otra cuando esta es menos brillante en las bandas más rojas.

En la Figura 1 podemos observar el mapa de color para la galaxia NGC 0986, construido a partir de las bandas g e i. Podemos inmediatamente notar algunas tendencias globales, como lo son un centro con valores de g-i mayores y otras regiones con valores más bajos. Esta distribución de valores de g-i nos apuntan a regiones más rojas en las partes centrales y regiones más azules en los brazos espirales. Para un estudio más cuantitativo, escogimos 5 regiones diferentes de la galaxia NGC 0986: el bulbo (círculo rojo), regiones que parecen ser nudos de formación estelar (círculos azul claro y oscuro), y a lo largo de la barra, sobre una columna de polvo (círculo verde) y en una región adyacente (círculo amarillo).

 

Para visualizar el gradiente de color presentamos el diagrama color-color en la Figura 2, usando dos combinaciones de bandas: g-r y r-i. En este diagrama observamos el color calculado para cada píxel de la imagen de la galaxia: cuanto más a la izquierda y hacia abajo se localiza, más azul es su color y, si presenta una localización más a la derecha y arriba, entonces su color es más rojo. En este diagrama visualizamos los colores de las diferentes regiones, por lo que podemos identificar la población estelar dominante de cada componente de la galaxia. Los nudos de formación estelar, identificados por círculos azul claro y azul oscuro en la Figura 1, presentan los valores más bajos de g-r y r-i, colocándolos como las regiones más azules del diagrama color-color. El bulbo (identificado por puntos rojos en la Figura 2) presenta cierta diversidad de colores pero presenta mayor tendencia hacia el rojo. También podemos ver que las zonas identificadas por un círculo verde y otro amarillo en la Figura 1, que coinciden con regiones a lo largo de la barra, presentan colores significativamente más rojos. En particular, notamos que la región identificada por un círculo verde en la Figura 1, localizada justo sobre una columna de polvo (dustlane), muestra colores significativamente más rojos que la región marcada en amarillo, que corresponde a una región de la barra adyacente a las grandes concentraciones de polvo. Estas tendencias muestran como la presencia de polvo en las regiones estudiadas tiene un impacto directo en los colores observados.

 

En conclusión, esta galaxia presenta los gradientes de color usuales reportados en la literatura para una galaxia espiral. Gracias a la fotometría realizada en las bandas y con ayuda de la definición de color, fue posible realizar los mapas de color y diagramas color-color, que nos ayudan a estudiar el comportamiento de cada sección de la galaxia píxel por píxel. Para próximas investigaciones extenderemos el estudio de colores con las bandas ultravioletas obtenidas con el satélite GALEX y las bandas en el infrarrojo del telescopio espacial Spitzer.

Referencias:

[1] Carroll, B. W., & Ostlie, D. A. (2017). An introduction to modern astrophysics. Cambridge University Press.
[2] Querejeta, M., Meidt, S. E., Schinnerer, E., Cisternas, M., Muñoz-Mateos, J. C., Sheth, K., … & Comerón, S. (2015). The Spitzer Survey of Stellar Structure in Galaxies (S4G): Precise stellar mass distributions from automated dust correction at 3.6 μm. The Astrophysical Journal Supplement Series, 219(1), 5.

Edición: Alejandro Cárdenas-Avendaño