ALMA descubre joven galaxia giratoria con la ayuda de telescopio cósmico

22 Abril, 2021 / Tiempo de lectura: 10 minutes

Gracias al Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), un equipo de astrónomos observó una joven galaxia giratoria con un centésimo del tamaño de la Vía Láctea en una época en que el Universo tenía solo un 7 % de su edad actual. Aprovechando el efecto de un lente gravitacional, los astrónomos pudieron estudiar por primera vez la naturaleza de pequeñas y oscuras “galaxias normales” del Universo primitivo, representativas del principal tipo de galaxia existentes al principio. Estas observaciones ayudan a mejorar considerablemente nuestra comprensión de la etapa inicial de la evolución galáctica. 

“Muchas de las galaxias del Universo primitivo eran tan pequeñas que su brillo es muy inferior que el brillo mínimo captado por los telescopios más grandes existentes actualmente en la Tierra y el espacio, de ahí que sea tan difícil estudiar sus propiedades y su estructura interna”, explica Nicolas Laporte, becario Kavli sénior de la Universidad de Cambridge. “Sin embargo, la luz proveniente de la galaxia RXCJ0600-z6 estaba considerablemente amplificada por el lente gravitacional, y por eso era ideal para estudiar las propiedades y la estructura de una galaxia bebé típica”. 

El lente gravitacional es un fenómeno natural en el que la luz emitida por un objeto distante es curvada por la gravedad de un cuerpo masivo como una galaxia o un cúmulo de galaxias situado delante de dicho objeto. El nombre lente gravitacional hace referencia al hecho de que la gravedad del objeto masivo actúa como un lente. Cuando miramos a través de un lente gravitacional, la luz de los objetos distantes se ve intensificada y su forma parece estirada. En otras palabras, es una especie de telescopio natural que flota en el espacio.

El equipo de investigación del ALMA Lensing Cluster Survey (ALCS) usó ALMA para buscar una gran cantidad de galaxias del Universo primitivo sujetas a lentes gravitacionales. Al combinar la sensibilidad de ALMA con estos telescopios naturales, los investigadores pueden detectar y estudiar las galaxias más tenues. 

¿Por qué es fundamental observar las galaxias menos brillantes del Universo primitivo? Los modelos teóricos y las simulaciones predicen que la mayoría de las galaxias que se formaron algunos cientos millones de años después del Big-Bang son pequeñas y, por consiguiente, tenues. Aunque ya se habían observado numerosas galaxias del Universo primitivo, las observaciones se habían limitado a los objetos más masivos y, por ende, menos representativos del Universo primitivo, debido a las limitaciones de los telescopios. La única forma de entender el proceso de formación estándar de las primeras galaxias y obtener un panorama completo de la evolución de las galaxias es observar las galaxias más tenues y numerosas. 

El equipo del ALCS llevó a cabo un programa de observación a gran escala que tardó 95 horas (un período más largo de lo habitual para ALMA) y observó la zonas centrales de 33 cúmulos de galaxias que podían generar lentes gravitacionales. Uno de ellos, conocido como RXCJ0600-2007, se encuentra en dirección de la constelación Lepus, y tiene una masa 1.000 billones de veces superior a la de nuestro Sol. El equipo también descubrió una galaxia distante que se ve afectada por el lente gravitacional creado por este telescopio natural. ALMA, junto al telescopio Gemini, detectó la luz de iones de carbono y polvo estelar presentes en la galaxia, que permitieron determinar que esta corresponde a un período situado unos 900 millones de años después del Big Bang (hace 12.900 millones de años)[1]. Los análisis posteriores realizados con los datos de ALMA y del observatorio Gemini revelaron que esta fuente se ve 160 más brillante de lo que realmente es. 

Al medir con precisión la distribución de la masa del cúmulo de galaxias, se puede “deshacer” el efecto del lente gravitacional y restaurar la apariencia original del objeto amplificado. Al combinar datos del telescopio espacial Hubble y el Very Large Telescope del Observatorio Europeo Austral con un modelo teórico, los astrónomos lograron reconstituir la forma real de la galaxia RXCJ0600-z6. Su masa total es cerca de 2.000 a 3.000 millones de veces superior a la masa de nuestro Sol, o cerca de un centésimo del tamaño de la Vía Láctea.

Lo que sorprendió a los astrónomos es que RXCJ0600-z6 está girando. Tradicionalmente, se creía que el gas presente en las galaxias jóvenes se desplazaba de forma caótica y aleatoria. Recientemente ALMA descubrió galaxias giratorias jóvenes que han obligado a replantear el marco teórico[2], aunque su brillo (su tamaño) superaba al de RXCJ0600-z6 en varios órdenes de magnitud. 

“Nuestro estudio demuestra, por primera vez, que se puede medir directamente el movimiento interno de galaxias tan poco brillantes (y poco masivas) del Universo primitivo y compararlo con las predicciones teóricas, señala Kotaro Kohno, profesor de la Universidad de Tokio y líder del equipo del ALCS. 

“El hecho de que RXCJ0600-z6 tenga un factor de amplificación tan elevado suscita esperanzas para las investigaciones futuras”, explica Seiji Fujimoto, titular de una beca DAWN del Instituto Niels Bohr. “Esta galaxia ha sido seleccionada entre cientos para ser observada con el telescopio espacial James Webb (JWST), un instrumento de última generación que se lanzará este año. Gracias a la combinación de las observaciones realizadas con ALMA y el telescopio James Webb, revelaremos las propiedades del gas y las estrellas presentes en galaxias bebé y estudiaremos sus movimientos internos. Cuando estén terminados, el Thirty Meter Telescope y el Extremely Large Telescope podrán detectar cúmulos de estrellas en la galaxia y, posiblemente, incluso resolver estrellas de forma individual. Hay un ejemplo de lente gravitacional que se ha usado para observar una estrella situada a 9.500 millones de años luz, y esta investigación tiene el potencial de extender estas observaciones a un período correspondiente a menos de 1.000 millones de años desde el nacimiento del Universo”.

Notas

[1] La luz emitida por los iones de carbono era originalmente luz infrarroja con una longitud de onda de 156 micrómetros, pero con la expansión del Universo las ondas se extendieron y se convirtieron en ondas de radio con una longitud de onda de 1,1 milímetros, que fueron detectadas por ALMA. El desplazamiento al rojo de este objeto es de z = 6,07. Un cálculo basado en los últimos parámetros cosmológicos medidos con Planck (H0 = 67,3 km/s/Mpc, Ωm = 0,315, Λ = 0,685: resultados Planck 2013) arroja una distancia de 12.400 millones de años luz. (Véase el artículo “Expressing the distance to remote objects” para obtener más detalles.)

[2] Gracias al lente gravitacional, ALMA descubrió una galaxia giratoria de tamaño similar a la Vía Láctea en una región correspondiente a 12.400 millones de años atrás. (Véase el artículo “ALMA sees most distant Milky Way look-alike”, publicado el 13 de agosto de 2020). ALMA también observó una galaxia giratoria de hace 12.400 millones de años sin lente gravitacional. (Véase el artículo “ALMA Discovers Massive Rotating Disk in Early Universe.”) 

Información adicional

Los resultados de este estudio se consignaron en el artículo de Seiji Fujimoto et al. titulado “ALMA Lensing Cluster Survey: Bright [CII] 158 μm Lines from a Multiply Imaged Sub-L* Galaxy at z = 6.0719” (‘ALMA Lensing Cluster Survey: líneas brillantes [CII] de 158 μm en imagen múltiple de galaxia Sub-L* en z = 6.0719’; DOI: https://doi.org/10.3847/1538-4357/abd7ecs), publicado en The Astrophysical Journal el 22 de abril de 2021, y el de Nicolas Laporte et al. titulado “ALMA Lensing Cluster Survey: a strongly lensed multiply imaged dusty system at z > 6” (‘ALMA Lensing Cluster Survey: sistema polvoriento altamente amplificado por lente gravitacional en imagen mútiple en z > 6’), publicado en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society el 22 de abril de 2021.

La investigación se financió con fondos de la Sociedad Japonesa para el Fomento de la Ciencia KAKENHI (fondos JP17H06130, JP18K03693, 17H01114, 19H00697 y 20H00180), el Programa Conjunto de Investigación Científica de ALMA NAOJ (2017-06B), el Fondo Consolidador europeo (proyecto ConTExt, fondos 648179 y 681627-BUILDUP), el programa Horizonte2020 del Consejo Europeo de Investigación (fondo 669253), el fondo DFF-7014-00017 del Fondo Danés Independiente de Investigación (fondo 140), la Fundación Kavli, fondos CATA-Basal AFB-170002 de la Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo de Chile (ANID), fondos FONDECYT Regular (1190818 y 1200495), la Millennium Science Initiative ICN12 009, STFC (ST/T000244/1), el fondo NSFC 11933011, el Consejo Sueco de Investigación y la Fundación Knut y Alice Wallenberg. Este trabajo fue financiado en parte por el programa conjunto de investigación del Instituto de Investigación de Rayos Cósmicos de la Universidad de Tokio. Los datos del telescopio Gemini se obtuvieron a través de un acuerdo entre la Asociación de Universidades para la Investigación en Astronomía, Inc. (AURA) y la Universidad Ben-Gurion del Negev

El Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), una instalación astronómica internacional, es una asociación entre el Observatorio Europeo Austral (ESO), la Fundación Nacional de Ciencia de EE. UU. (NSF) y los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales de Japón (NINS) en cooperación con la República de Chile. ALMA es financiado por ESO en representación de sus estados miembros, por NSF en cooperación con el Consejo Nacional de Investigaciones de Canadá (NRC) y el Ministerio de Ciencia y Tecnología de Taiwán (MOST), y por NINS en cooperación con la Academia Sinica (AS) de Taiwán y el Instituto de Ciencias Astronómicas y Espaciales de Corea del Sur (KASI).

La construcción y las operaciones de ALMA son conducidas por ESO en nombre de sus estados miembros; por el Observatorio Radioastronómico Nacional (NRAO), gestionado por Associated Universities, Inc. (AUI), en representación de Norteamérica; y por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) en nombre de Asia del Este. El Joint ALMA Observatory (JAO) tiene a su cargo la dirección general y la gestión de la construcción, así como la puesta en marcha y las operaciones de ALMA.

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