Francis en #rosavientos: La galaxia confirmada más antigua

Dibujo20131027 galaxy z8_GND_5 296 - 700 million year after big bang - hubble space telescope

Ya puedes escuchar en este enlace mi nuevo podcast en la sección ¡Eureka! de la Rosa de los Vientos de Onda Cero. Como siempre, una transcripción y algunos enlaces a artículos técnicos.

Esta semana ha sido noticia en algunos medios que se ha descubierto la galaxia más lejana conocida, cuya luz se emitió cuando el universo tenía 700 millones de años tras el big bang, en plena edad oscura. ¿No se conoce ninguna galaxia más lejana? La galaxia en cuestión se llama z8_GND_5296 y ha sido observada por un equipo internacional de astrónomos gracias al telescopio Keck-I situado en el volcán Mauna Kea, en Hawái, cuyo espejo segmentado de 36 trozos tiene un diámetro de 10 metros. La luz de esta galaxia presenta un desplazamiento al rojo de z = 7,51 según las medidas del espectrógrafo MOSFIRE. Se trata de la galaxia más lejana que ha sido observada gracias a la huella dactilar de las galaxias, la línea espectral de 21 centímetros del hidrógeno neutro, lo que significa que es la galaxia más lejana confirmada fuera de toda duda por espectrografía infrarroja y por ello su descubrimiento se ha publicado en la prestigiosa revista Nature. Sin embargo, se han observado galaxias más lejanas en las imágenes de cielo ultraprofundo de la nueva cámara UDF del telescopio espacial Hubble. Hay unas diez galaxias conocidas con desplazamiento al rojo z > 8, pero en todas ellas es imposible observar la huella dactilar de las galaxias y los astrónomos hablan de candidatos a galaxias, en lugar de galaxias confirmadas. El candidato a galaxia con mayor desplazamiento al rojo tiene z=12, se llama UDFj-39546284, fue observada por el telescopio espacial Hubble en septiembre de 2012 y por el espectrógrafo MOSFIRE del telescopio Keck-I en julio de 2013. La luz de este candidato a galaxia con z=12 se emitió cuando el universo tenía sólo 400 millones de años. También se han observado galaxias de alto desplazamiento al rojo cuya luz ha sido amplificada mediante lentes gravitatorias; la que tiene el récord actual es una galaxia llamada MACS 0647-JD con un valor z=11. Una de las misiones del futuro telescopio espacial James Webb, que será lanzado al espacio en 2018, será observar cientos de galaxias en la Edad Oscura del universo.

En mi blog también puedes leer “Una galaxia formando estrellas con rapidez cuando el universo tenía 700 millones de años,” 23 Oct 2013; el artículo técnico es S. L. Finkelstein et al., ”A galaxy rapidly forming stars 700 million years after the Big Bang at redshift 7.51,” Nature 502: 524–527, 24 Oct 2013arXiv:1310.6031 [astro-ph.CO]. Más información divulgativa en Maggie McKee, “Light from farthest galaxy yet discovered breaks through cosmic fog,” Nature News, 23 Oct 2013, y Dominik A. Riechers, “Astronomy: New distance record for galaxies,” Nature502: 459–460, 24 Oct 2013.

Sobre las galaxias de mayor desplazamiento al rojo observadas por el telescopio espacial Hubble recomiendo leer a Richard S. Ellis et al., “The abundance of star-forming galaxies in the redshift range 8.5-12: New results from the 2012 Hubble Ultra Deep Field Campaign,” The Astrophysical Journal Letters 763: L7, 20 Jan 2013arXiv:1211.6804 [astro-ph.CO]; y también P. Capak et al., “Keck-I MOSFIRE Spectroscopy of the z~12 candidate galaxy UDFj-39546284,” The Astrophysical Journal Letters 773: L14, 10 Aug 2013arXiv:1307.4089 [astro-ph.CO].

Hubble Ultra Deep Field

Estas galaxias se formaron en la Edad Oscura del Universo, ¿qué sabemos sobre esta época temprana del universo? Las primeras galaxias según los modelos teóricos de formación galáctica nacieron cuando el universo tenía unos cientos de millones de años. El hidrógeno neutro se formó cuando el universo tenía 380.000 años de edad, el momento en el que se emitió la luz del fondo cósmico de microondas. La expansión cósmica enfrió este gas de hidrógeno neutro durante unos cientos de millones de años. Debido a que la gravedad es una fuerza atractiva se forman grumos de materia en los que el gas se calienta al crecer la densidad; el hidrógeno caliente se fragmenta en protones y electrones, la llamada reionización, que da lugar a la formación de las primeras generaciones de estrellas. Esta primeras estrellas eran de vida muy corta y tras su muerte se formaron los primeros agujeros negros que acabarían en el centro de todas las galaxias. Las semillas de las galaxias eran galaxias enanas que se formaron cuando el universo tenía unos 100 millones de años. Estas galaxias chocaban unas contra otras y se fusionaron en galaxias de mayor tamaño. Se cree que nuestra galaxia, la Vía Láctea, es el resultado de la fusión de más de un millón de pequeñas galaxias. Hoy en día todas las grandes galaxias presentan galaxias enanas a su alrededor. Los detalles de todo este proceso se conocen gracias a simulaciones por ordenador ya que los telescopios actuales no nos permiten ver estas primeras galaxias pues su luz es demasiado débil.

Dibujo20131027 hydrogen hyperfine 21 cm line - pearson prentice hall inc

El telescopio Keck-I de Hawái ha observado la huella dactilar de esta galaxia que se formó cuando el universo tenía 700 millones de años. ¿Qué es esta huella dactilar y por qué es tan difícil verla en las primeras galaxias? Las galaxias están hechas sobre todo por hidrógeno atómico neutro. El espectro del hidrógeno presenta una línea de transición superfina centrada en una frecuencia de 1,42 GHz, es decir, una longitud de onda de 21 cm. Esta línea está asociada a la transición entre los estados en los que que el espín del electrón y del protón son paralelos y antiparalelos) y es muy útil para estudiar las galaxias y estimar su luminosidad. Esta huella dactilar de las galaxias está muy desplazada al rojo para las primeras galaxias. Para una galaxia cuya luz se emitió cuando el universo tenía unos 100 millones de años la línea de 21 cm tiene una longitud de onda de unos 210 metros, imposible de observar en un telescopio. Al final de la era oscura, cuando el universo tenía mil millones de años, la longitud de onda de la línea de 21 cm era de un metro y pico. Por ello, al observar esta huella dactilar de las galaxias con un telescopio de 10 metros nos tenemos que limitar a las galaxias que emitieron su luz cuando el universo tenía unos 700 millones de años. Por ello, sólo se pueden confirmar las galaxias primitivas que tienen más de esta edad. La galaxia z8_GND_5296 que se ha publicado en Nature se formó hace unos 13.000 millones de años, el tiempo que ha tardado la luz de esta galaxia en llegar a la Tierra, pero debido a la expansión del universo se calcula que esta galaxia estará en la actualidad a unos 30.000 millones de años luz de la Tierra.

Dibujo20131022 Cosmic history and the first galaxies

¿Qué es lo nos cuenta esta galaxia sobre las propiedades de las primeras galaxias que se formaron en la edad oscura? Esta nueva galaxia es fascinante porque es muy brillante, su magnitud aparente es de 25, y presenta un ritmo de formación estelar enorme comparado con otras galaxias que se encuentran a una distancia similar. Se estima que su ritmo de formación estelar es más de cien veces más rápido que el de nuestra galaxia, la Vía Láctea. La galaxia z8_GND_5296 contiene una masa en estrellas equivalente a unos mil millones de soles y por tanto está siendo observada en pleno brote de formación estelar. En aquella época esta galaxia estaba formando unos 330 soles por año, duplicando su masa estelar cada cuatro millones de años. Un ritmo frenético de formación estelar comparado con la actividad presente de la Vía Láctea, que forma unas dos o tres masas solares por año. La mecha que prende la formación estelar es la “metalicidad” (la presencia de elementos más pesados que el hidrógeno y el helio, como el oxígeno, el silicio o el hierro) en el gas que rodea la galaxia. Se estima que esta galaxia tiene una reserva de gas unas 50 veces más masiva que su masa estelar. Se cree que la formación estelar de otras galaxias de aquella época está inhibida porque las galaxias pasan por un periodo de baja metalicidad, que va creciendo hasta que se supera un cierto valor crítico y se inicia una intensa formación estelar como la observa en la galaxia z8_GND_5296. Por ello, esta galaxia nos aporta mucha información sobre cómo evolucionaron las primeras galaxias, de ahí su gran importancia.

Coda final. Ya puedes escuchar en este enlace mi nuevo podcast en ¡Eureka!

6 pensamientos en “Francis en #rosavientos: La galaxia confirmada más antigua

  1. Aprovecho que aquí tiene más que ver el tema para dejar la duda que me asaltaba en el larguísimo hilo del espacio-tiempo a la espera que alguien me la pueda resolver, y que se resume en ¿cómo se puede conocer la composición de una estrella a partir de su espectrograma? En este caso, la transición de estados es la que emite un fotón de una determinada frecuencia. En una estrella, entiendo que sus componentes están en estado de plasma. ¿Cómo funciona en este caso? ¿O se sigue midiendo a partir de elementos aún en su estado atómico?

    Muchas gracias por la entrada.

  2. Hola:
    El artículo en Nature habla de Lyman alpha, no de la línea a 21cm. Keck observó esta linea, a 0.912 nm en reposo, desplazada al rojo por un factor de (1+7.51). Proyectos como ASKAP omel SKA están diseñados para detectar la línea a 21 cm de galaxias lejanas.

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