ALMA descubre los secretos químicos de una galaxia con brote estelar

28 Marzo, 2024 / Tiempo de lectura: 9 minutes

Un equipo científico observó con el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array(ALMA) el centro de una galaxia relativamente cercana conocida como NGC 253, que produce estrellas a un ritmo muy alto. Tras más de 300 horas de observación, hallaron más de cien especies moleculares, muchas más de las que han detectado estudios previos fuera de la Vía Láctea. La alta sensibilidad de ALMA identificó con éxito moléculas que representan varias etapas de la evolución estelar en la región central de NGC 253, y la alta resolución angular de ALMA determinó las ubicaciones donde tienen lugar estas etapas. Esta gran cantidad de datos ha permitido comprender mejor la física y la química de este tipo de galaxias. El aumento de la sensibilidad de banda ancha como parte de la hoja de ruta de desarrollo de ALMA 2030 hará que las observaciones de banda ancha de frecuencias como las de este estudio sean mucho más eficientes. Esperamos que la comprensión del mecanismo del brote estelar avance mediante la observación simultánea de más moléculas trazadoras.

En el Universo, algunas galaxias forman estrellas mucho más rápido que nuestra galaxia, la Vía Láctea. A estas  se les llama 'galaxias con brote estelar'. Los fenómenos de brote estelar no duran para siempre. Sigue siendo un misterio cómo puede ocurrir exactamente una formación de estrellas tan prolífica y cómo termina. La posibilidad de que se formen estrellas depende de las propiedades de la materia prima de la que nacen, como el gas molecular, un material gaseoso compuesto por varias moléculas. Por ejemplo, las estrellas se forman en regiones densas dentro de nubes moleculares donde la gravedad puede actuar de manera más efectiva. Algún tiempo después de la formación activa de estrellas, las estrellas existentes y las explosiones de estrellas muertas transfieren energía al medio circundante, lo que podría obstaculizar la formación estelar futura. Estos procesos físicos impactan la química de la galaxia e imprimen una firma en la intensidad de las señales de las moléculas. Debido a que cada molécula emite a frecuencias específicas, las observaciones en un amplio rango de frecuencia nos permiten analizar las propiedades físicas y brindarnos información sobre el mecanismo de los brotes estelares.

El equipo científico a cargo de este estudio ha adquirido una nueva comprensión de los fenómenos relacionados con el nacimiento de estrellas en una galaxia con brote estelar. Utilizando ALMA, detectaron más de cien especies moleculares en el centro de NGC 253, una galaxia con brote estelar situada a unos 10 millones de años luz de distancia. Esta materia prima química es la más rica que se encuentra fuera de la Vía Láctea e incluye moléculas que se han detectado por primera vez , como el etanol y la especie PN que contiene fósforo. Este estudio se llevó a cabo como un gran programa denominado ALMA Comprehensive High-solving Extragalactic Molecular Inventory (ALCHEMI), dirigido por Sergio Martín del Observatorio Europeo Austral/Observatorio Conjunto ALMA, Nanase Harada del Observatorio Astronómico Nacional de Japón y Jeff Mangum del Observatorio Nacional de Radioastronomía  de Estados Unidos.

En primer lugar, este estudio encontró que el gas molecular de alta densidad probablemente promoverá la formación activa de estrellas en esta galaxia. Cada molécula emite en múltiples frecuencias y la intensidad de su señal relativa y absoluta cambia según la densidad y la temperatura. Al analizar numerosas señales de algunas especies moleculares, la cantidad de gas denso en el centro de NGC 253 resultó ser más de diez veces mayor que la del centro de la Vía Láctea, lo que podría explicar por qué NGC 253 está formando estrellas unas 30 veces más eficientemente incluso con la misma cantidad de gas molecular.

Uno de los mecanismos que podría ayudar a la fusión de nubes moleculares en otras más densas es una colisión entre ellas. En el centro de NGC 253 es probable que se produzcan colisiones de nubes donde se cruzan corrientes de gas y estrellas, generando ondas de choque que viajan a velocidades supersónicas. Estas ondas de choque evaporan moléculas como el metanol y el HNCO, congelándose en partículas de polvo heladas. Cuando las moléculas se evaporan en forma de gas, se vuelven observables mediante radiotelescopios como ALMA.

Ciertas moléculas también rastrean la formación estelar en curso. Se sabe que alrededor de las estrellas jóvenes abundan las moléculas orgánicas complejas. En NGC 253, este estudio sugiere que la formación estelar activa crea un ambiente cálido y denso similar a los que se observan alrededor de estrellas jóvenes individuales (protoestrellas) en la Vía Láctea. La cantidad de moléculas orgánicas complejas en el centro de NGC 253 es similar a la que hay alrededor de las protoestrellas de la galaxia.

Además de las condiciones físicas que podrían promover la formación de estrellas, el estudio también reveló el duro entorno dejado por generaciones anteriores de estrellas, que podría ralentizar la futura formación de estrellas. Cuando las estrellas masivas mueren, provocan explosiones masivas conocidas como supernovas, que emiten partículas energéticas llamadas rayos cósmicos. La composición molecular de NGC 253 reveló a partir de la mejora de especies como H3O+ y HOC+ que los rayos cósmicos han arrancado algunos de sus electrones a las moléculas de esta región a un ritmo al menos 1000 veces mayor que cerca del Sistema Solar. Esto sugiere un considerable aporte de energía procedente de las supernovas, lo que dificulta que el gas se condense para formar estrellas.

Finalmente, el estudio ALCHEMI proporcionó un atlas de 44 especies moleculares, duplicando el número disponible en estudios anteriores fuera de la Vía Láctea. Al aplicar una técnica de aprendizaje automático a este atlas, los investigadores pudieron identificar qué moléculas pueden rastrear de manera más efectiva la historia de la formación estelar mencionada anteriormente, desde el principio hasta el final. Como se describió anteriormente con algunos ejemplos, ciertas especies moleculares rastrean fenómenos como ondas de choque o gas denso, que podrían ayudar a la formación de estrellas. Las regiones de formación de estrellas jóvenes albergan una rica química, incluidas moléculas orgánicas complejas. Mientras tanto, el brote estelar desarrollado muestra una mejora del radical cianuro que indica la producción de energía de estrellas masivas en forma de fotones UV, lo que también podría obstaculizar la futura formación de estrellas. Encontrar estos trazadores puede ayudar a planificar observaciones futuras utilizando la mejora de sensibilidad de banda ancha que se espera para esta década como parte de la hoja de ruta de desarrollo de ALMA 2030, con la cual las observaciones simultáneas de múltiples transiciones moleculares serán mucho más manejables.

“ALMA es el único instrumento capaz de brindar la sensibilidad y resolución para este tipo de estudio. Gracias a la posibilidad de observar grandes programas (que requieren más de 50 horas de observaciones), logramos compilar un estudio completo de la química de este objeto extragaláctico que se puede comparar directamente con el que se encuentra en la Vía Láctea y el Sistema Solar”, explica Sergio Martín, investigador principal de este estudio y jefe del Departamento de Operaciones Científicas de ALMA. “Con las nuevas actualizaciones que se están realizando durante esta década en el observatorio, conocidas como Wideband Sensitivity Upgrade (WSU), podremos extender este tipo de estudio a objetos más débiles y más lejanos para comprender la evolución de la química en el Universo”.

Información adicional

Este estudio está compuesto por múltiples publicaciones:

• Harada et al. (ApJS 2024) “The ALCHEMI atlas: principal component analysis reveals starburst evolution in NGC 253” 10.3847/1538-4365/ad1937 published on Mar 15th, 2024
• Martin et al. (A&A 2021) “ALCHEMI, an ALMA Comprehensive High-resolution Extragalactic Molecular Inventory. Survey presentation and first results from the ACA array” 10.1051/0004-6361/202141567
• Tanaka et al. (ApJ 2024) “Volume Density Structure of the Central Molecular Zone NGC 253 through ALCHEMI Excitation Analysis” 10.3847/1538-4357/ad0e64
• Huang et al. (A&A 2023) “Reconstructing the shock history in the CMZ of NGC 253 with ALCHEMI” 10.1051/0004-6361/202245659
• Behrens et al. (ApJ 2022) “Tracing Interstellar Heating: An ALCHEMI Measurement of the HCN Isomers in NGC 253” 10.3847/1538-4357/ac91ce
• Harada et al. (ApJ 2022) “ALCHEMI Finds a “Shocking” Carbon Footprint in the Starburst Galaxy NGC 253″ 10.3847/1538-4357/ac8dfc
• Humire et al. (A&A 2022) “Methanol masers in NGC 253 with ALCHEMI” 10.1051/0004-6361/202243384
• Holdship et al. (A&A 2022) “Energizing Star Formation: The Cosmic-Ray Ionization Rate in NGC 253 Derived from ALCHEMI Measurements of H3O+ and SO” 10.3847/1538-4357/ac6753
• Haasler et al. (A&A 2022) “First extragalactic detection of a phosphorus-bearing molecule with ALCHEMI: Phosphorus nitride (PN)” 10.1051/0004-6361/202142032
• Harada et al. (2021 ApJ) “Starburst Energy Feedback Seen through HCO+/HOC+ Emission in NGC 253 from ALCHEMI” 10.3847/1538-4357/ac26b8
• Barrientos et al. (Experimental Astronomy 2021) “Towards the prediction of molecular parameters from astronomical emission lines using Neural Networks” 10.1007/s10686-021-09786-w
• Holdship et al. (A&A 2021) “The distribution and origin of C2H in NGC 253 from ALCHEMI” 10.1051/0004-6361/202141233
• Butterworth et al. (A&A in press) “Molecular isotopologue measurements toward super star clusters and the relation to their ages in NGC253 with ALCHEMI” 10.48550/arXiv.2402.10721

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