ALMA obtiene inédita vista del gas y polvo en un campo cosmológico profundo

24 Septiembre, 2020 / Tiempo de lectura: 10 minutes

Un grupo internacional de astrónomos usó el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) para hacer un inventario del polvo y gas molecular presente en galaxias distantes a una profundidad sin precedentes en el icónico Campo Ultraprofundo del Hubble (H-UDF), una de las regiones más estudiadas del cielo. Los resultados finales se publican hoy en una serie de artículos en The Astrophysical Journal.

Se ha demostrado que las estrellas se forman a partir del colapso gravitacional de densas nubes de gas molecular. Para describir la evolución de las galaxias es indispensable medir su contenido de gas molecular y determinar su evolución en el tiempo cósmico. Dicha medición fue uno de los tres grandes objetivos del proyecto ALMA desde su concepción. Para ello, un grupo internacional de astrónomos llevó a cabo el ALMA SPECtroscopic Survey in the Hubble Ultra-Deep Field (ASPECS), el primer programa extragaláctico de gran envergadura aprobado por ALMA, ideado para realizar un levantamiento sin sesgos y tridimensional del contenido de gas molecular de las galaxias existentes en el campo profundo extragaláctico más estudiado, el emblemático Campo Ultraprofundo del Hubble (H-UDF). 

El equipo del ASPECS eligió el H-UDF debido a que permite realizar las mejores observaciones en profundidad y alta resolución en todo el espectro electromagnético, más allá del continuo tradicional, y tiene una ubicación ideal para ALMA. Chris Carilli, astrónomo del Observatorio Radioastronómico Nacional de Estados Unidos (NRAO), explica: “El éxito de  ASPECS radica en dos grandes avances: la sensibilidad sin precedentes de ALMA y la base de datos en longitudes de onda múltiples sin parangón disponible sobre el Campo Ultraprofundo del Hubble gracias a las más de 1.000 horas de observación realizadas en las instalaciones astronómicas espaciales y terrestres más avanzadas”.  

El equipo del ASPECS también optó por un enfoque conocido como escaneo de frecuencia para obtener mediciones del gas molecular en un volumen cósmico bien definido. Se eligió este enfoque para maximizar las líneas de monóxido de carbono (CO) con alto desplazamiento al rojo, que delatan directamente la presencia de gas molecular, y obtener imágenes del continuo milimétrico del HUDF en profundidades sin precedentes. Jorge González-López, astrónomo de la Universidad Diego Portales, en Santiago de Chile, explica este método: “La técnica de escaneo de frecuencia es similar a la sintonización de un canal de radio AM/FM: se mueve la perilla hasta obtener señal. Para nosotros, cada uno de estos ‘canales de radio’ es una línea de gas molecular en una galaxia distante”. La validez del enfoque observacional de ASPECS quedó demostrada por varios programas piloto llevados a cabo por el interferómetro Plateau de Bure del IRAM y por ALMA en ciclos anteriores. 

La profundidad sin precedentes de los escaneos en frecuencia milimétrica y las imágenes de continuo de ALMA revelaron la presencia de docenas de galaxias distantes y polvorientas en la región H-UDF, lo cual permitió al equipo de ASPECS responder varias preguntas sobre cómo se forman y crecen las galaxias. Estas permitieron revelar además las galaxias que contienen la mayor parte de las reservas de polvo y gas frío del UDF, la gran cantidad de datos recabados en longitudes de onda múltiples disponibles sobre el campo ASPECS/UDF, que incluyen imágenes profundas del telescopio espacial Hubble de la NASA/ESA e imágenes espectroscópicas del explorador MUSE del Very Large Telescope de la ESO, permite obtener un panorama completo de las propiedades físicas de las galaxias del ASPECS. Manuel Aravena, astrónomo de la Universidad Diego Portales concluye: “Los datos del ASPECS constituyen nuestra mirada más profunda al Universo lejano y polvoriento hasta la fecha, y podrían abarcar la totalidad de las masivas reservas de polvo y gas del H-UDF. Gracias a nuestra estrategia de observación, pudimos identificar masivas reservas de gas en galaxias donde no se esperaba detectarlas debido a la baja tasa de formación estelar y las bajas masas estelares”. En efecto, la profundidad sin precedentes alcanzada por ASPECS permitió al equipo determinar que casi todas las reservas de polvo frío del H-UDF a una distancia que se remonta a los albores de los tiempos cósmicos corresponden a galaxias. Los resultados obtenidos por ALMA podrían explicarse en el contexto de mediciones realizadas anteriormente por el equipo de ASPECS mediante modelos paralelos. Estos resultados también confirman que, en general, hace cerca de 10.000 millones de años las galaxias estaban hechas principalmente de gas molecular, en vez de estrellas, al contrario de lo que se observa en las galaxias actuales.

El estudio ASPECS también permitió determinar la evolución de la densidad del gas molecular cósmico desde unos 2 millones de años después del Big Bang hasta hoy. El Dr. Roberto Decarli, del Instituto Nacional de Astrofísica de Bolonia (Italia), explica: “Nuestro análisis demostró sin ambigüedades que la densidad del gas molecular alcanzó su máximo cuando el Universo tenía unos 4 millones de años, y luego disminuyó casi en una orden de magnitud hasta el valor medido en el Universo local". Este resultado ya se había predicho en estudios de campo profundo molecular anteriores, entre ellos el programa piloto del ASPECS. Al recabar datos más fidedignos, el equipo del ASPECS pudo confirmar sin margen de error que se produjo un incremento y luego una disminución en la densidad del gas molecular en el transcurso del tiempo cósmico. Este nivel máximo en la densidad de gas molecular corresponde al que se registró en la época de la formación de galaxias. 

Este fenómeno se cotejó con otras mediciones clave de las propiedades de las galaxias, en particular la evolución de la densidad cósmica del gas atómico, la tasa de formación estelar y el aumento de las masas estelares. El Dr. Fabian Walter, del Instituto Max Planck de Astronomía de Heidelberg (Alemania), concluye: “Al reunir toda la información, pudimos determinar la cantidad de gas que se concentró en los centros de las galaxias mediante acreción a lo largo del tiempo cósmico y de esta forma explicar la existencia de las estrellas presentes en las galaxias”. Así, estas observaciones delimitan considerablemente los modelos y simulaciones de evolución galáctica.

El equipo de ASPECS espera continuar estudiando galaxias con alto contenido de gas a partir de datos de mayor resolución obtenidos por ALMA y de los nuevos datos que arrojarán las observaciones del telescopio espacial James Webb de la NASA (cuyo lanzamiento está programado para fines de 2021).

Información adicional

Este proyecto se basa en el gran proyecto ASPECS de ALMA, del que han emanado 20 artículos publicados en revistas internacionales consagradas (véase https://www.aspecs.info). Los artículos más recientes están disponibles en arXiv. Simultáneamente, se pondrán a disposición de la comunidad astronómica todos los datos usados por el equipo en una página web ad hoc del Observatorio ALMA.

La página web del equipo incluye la lista de todos los investigadores del ASPECS y de los artículos publicados a la fecha.

Esta investigación forma parte del proyecto Cosmic_Gas, financiado con fondos del Consejo Europeo de Investigación (CEI) en el marco del programa de investigación e innovación Horizon 2020 de la Unión Europea (fondo n.º 740246). Este trabajo contó asimismo con financiamiento del fondo CONICYT + PCI + INSTITUTO MAX PLANCK DE ASTRONOMIA MPG190030.

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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