Posible observación de una kilonova gracias al telescopio espacial Hubble

Dibujo20130814 HST imaging of the location of GRB 130603B Una kilonova es el resultado de la fusión de dos estrellas de neutrones o de una estrella de neutrones y un agujero negro; se trata de un evento astrofísico similar a una supernova débil de vida muy corta. El telescopio espacial Hubble de la NASA ha observado una posible kilonova en el brote de rayos gamma GRB 130603B tanto en el óptico como en el infrarrojo. La primera observación de un fenómeno predicho por la teoría siempre está acompañada de dudas, por lo que habrá que esperar a futuras observaciones para confirmar esta kilonova (por cierto, en algunos sitios la llaman macronova o supernova de proceso-r, donde “r” proviene de rápido). Lo más interesante de las kilonovas es que producen una señal de ondas gravitatorias que podría ser observada por la nueva generación de detectores por interferometría. El artículo técnico es N. R. Tanvir, A. J. Levan, A. S. Fruchter, J. Hjorth, R. A. Hounsell, K. Wiersema & R. L. Tunnicliffe, “A ‘kilonova’ associated with the short-duration γ-ray burst GRB 130603B,” Nature, AOP 03 August 2013.

La lente gravitacional MACS 1149+2223 permite observar la galaxia más joven y remota (MACS 1149-JD)

La gravedad de Einstein permite que un cúmulo galáctico actúe como un lente gravitacional capaz de amplificar la luz de galaxias muy débiles. La combinación de los telescopios espaciales Hubble y Spitzer, ambos de la NASA, ha permitido observar la galaxia más joven y lejana observada hasta el momento, llamada MACS 1149-JD, gracias a la lente gravitacional MACS 1149+2223. La luz de esta galaxia se emitió cuando el universo tenía solo unos 490 ± 15 millones de años tras la gran explosión (que ocurrió hace unos 13.700 millones de años), es decir, su corrimiento al rojo es = 9,6 ± 0,2; también se han observado unas 100 galaxias cuya luz se emitió entre 650 y 850 millones de años tras la gran explosión.  El secreto de la nueva observación es la Cámara de Gran Campo (Wide Field Camera) instalada en 2009 en el Telescopio Espacial Hubble. Todas las nuevas galaxias observadas se encuentran en la época del universo llamada “edad oscura,” en la que se empezaron a formar las primeras galaxias y las primeras estrellas. ¿Cuándo se empezaron a formar las primeras estrellas en la nueva galaxia? Los autores del artículo técnico creen que se empezaron a formar cuando el universo tenía unos 200 millones de años (con una confianza estadística del 95%) tras la gran explosión, es decir, un corrimiento al rojo z < 14. El valor más probable para la masa estelar (de todas las estrellas) de esta galaxia es de unos 150 millones de veces la masa del Sol, aunque la dispersión en dicho valor es muy grande, como ilustra la figura de abajo (histograma en celeste). Nos lo cuenta Daniel Stark, “Astronomy: Searching for the cosmic dawn,” Nature 489: 370–371, 20 September 2012, que se hace del artículo técnico de Wei Zheng et al., “A magnified young galaxy from about 500 million years after the Big Bang,” Nature 489: 406–408, 20 September 2012.

Las lentes gravitatorias son claves para la observación de galaxias muy débiles, porque actúan sobre todo tipo de radiación electromagnética, no solo luz visible, sin aberración cromática (su efecto no depende de la longitud de onda de la luz). Por tanto, permiten observar galaxias lejanas en el óptico, infrarrojo, ultravioleta y cualquier otro rango espectral, lo que facilita el uso de técnicas de fotometría y espectroscopia astronómicas. Abajo aparece la lente gravitacional MACS 1149+2223.

PS: Por cierto, la nueva galaxia ya fue noticia antes del verano: “Detectada una galaxia tan remota que su luz fue emitida 490 millones de años tras el big bang.”

PS (20 sep. 2012): En Science también se han hecho eco de este descubrimiento, Yudhijit Bhattacharjee, “Warped Light Reveals Infant Galaxy on the Brink of the ‘Cosmic Dawn’,” Science 337: 1442, 21 September 2012.

PS (01 oct. 2012): En la sección ¡Eureka! de La Rosa de los Vientos, Onda Cero, hablé de este tema el 30 de septiembre. El audio lo puedes escuchar aquí.

Por qué no se observan galaxias espirales con corrimiento al rojo z > 2

Las galaxias espirales son muy comunes en nuestro entorno local (corrimientos al rojo z  ≈  1), pero solo se conocen dos ejemplos para z>2, HDFX 28, con z = 2,011, y Q2343-BX442, con z = 2,18. Hay dos explicaciones posibles, una es que los instrumentos actuales no son tan sensibles como para observar las estructuras espirales de estas galaxias y la otra es que a dichas distancias los discos galácticos son tan “calientes” que no se pueden formar brazos espirales estables de gran duración. Un nuevo artículo en Nature, que estudia la galaxia Q2343-BX442, apunta a que ambas ideas son incorrectas; esta galaxia tiene un disco “caliente” y presenta brazos espirales que pueden ser observados con instrumentos como el HST/WFC3. Como esta galaxia está acompañada de una galaxia satélite más pequeña, los autores proponen que la formación de los brazos espirales exige, por un lado, que la galaxia tenga suficiente masa para tener un disco estable, y por otro que esté acompañada de una galaxia satélite en proceso de fusión mutua. Además, las espirales aparecen y desaparecen en una escala de tiempo de unos ≤ 100  millones de años, o Δ z  ≤  0,08 para Q2343-BX442, por lo que han de ser observadas en una ventana de tiempo adecuada, en la que los brazos estén más visibles; además, la galaxia debe estar orientada de forma adecuada para que este patrón sea visible desde nuestra dirección. El artículo técnico es David R. Law et al., “High velocity dispersion in a rare grand-design spiral galaxy at redshift z = 2.18,” Nature 487: 338–340, 19 July 2012 [información suplementaria] [arXiv:1207.4196].

El nuevo estudio compara las medidas obtenidas en el infrarrojo por la Cámara de Gran Campo 3 del Telescopio Espacial Hubble (HST/WFC3) con resultados de modelos numéricos tridimensionales del disco galáctico. Los datos indican que el disco presenta brazos espirales en rotación con velocidades ±150 km/s con una dispersión media en la velocidad de σm = 66 ± 6 km/s; en los brazos espirales la dispersión pico alcanza un valor de σ = 113 ± 14 km/s. El modelo numérico indica que el disco de la galaxia está inclinado unos 42  ±  10 ° respecto a nuestra línea de visión. Estas observaciones indican que Q2343-BX442 tiene brazos espirales incluso con un disco caliente z  ≈  2. Como los estudios espectroscópicos indican que las galaxias como ésta son bastante frecuentes para z  ≈  2, la hipótesis de los autores parece bastante razonable. No es que haya pocas galaxias espirales para z > 2, lo que pasa es que no es fácil que los veamos pues tienen que coincidir varias circunstancias de forma simultánea para que podamos obervarlas.

Detectada una galaxia tan remota que su luz fue emitida 490 millones de años tras el big bang

Una galaxia (llamada MACS1149-JD1) con un corrimiento al rojo fotométrico de z = 9,6 ± 0,2, lo que indica una edad cósmica de unos 490 ± 15 millones de años (cuando el universo tenía el 3,6% de su edad actual). Aún así, no es la galaxia más antigua observada, ya que en enero de 2011 se publicó en Nature una con z ∼ 10 cuya luz se emitió unos 480 millones de años tras el big bang. El espectro de estas galaxias con z ∼ 10 no se puede determinar con los telescopios actuales y habrá que esperar al lanzamiento del James Webb Space Telescope (JWST), previsto para 2018. Las observaciones cosmológicas indican que el universo tiene 13700 millones de años y que la reionización del medio intergaláctico ocurrió alrededor de un corrimiento la rojo de z ∼ 11, momento en que aparecieron las primeras estrellas. Se han observado más de 10000 cuásares, pero solo uno con z > 7; miles de brotes de rayos gamma, pero solo uno está confirmado con z = 8,3; y se han observado miles de candidatos a galaxias con z ∼ 6, pero solo una con z ∼ 10. Las galaxias con z ∼ 10 tienen una magnitud óptica de ∼ 29, por debajo de los límites de observación en las imágenes de campo profundo del Hubble Space Telescope (HST) y más allá de la capacidad de los espectroscopios de los grandes telescopios (incluidos los de la próxima generación). Estas galaxias, por ahora, son solo candidatos a galaxias, ya que su espectro solo podrá ser obtenido gracias a JWST, que podrá confirmar de forma definitiva que realmente se trata de algunas de las primeras galaxias. El artículo técnico es Wei Zheng et al., “A highly magnified candidate for a young galaxy seen when the Universe was 500 Myrs old,” ArXiv:1204.2305, Submitted on 10 Apr 2012; nos lo ha contado Ron Cowen, “Infant galaxy offers tantalyzing peek at early Universe. Discovery hints at an unexpected cohort of baby star systems,” Nature News, 13 April 2012. Me he enterado de este último gracias a un tuit de Enrique Coperías ‏ @TapasDeCiencia: “Los astrónomos detectan una galaxia tan remota que su luz fue emitida 490 millones de años tras el big bang.” El título de esta entrada se basa en dicho tuit de Enrique.

¿Cómo es posible que se haya observado una galaxia cuya luz es tan débil? Gracias al efecto de lente gravitatoria debido a la materia oscura de los cúmulos galácticos. La inmensa masa de estos cúmulos desvía la luz y actúa como una “lente cósmica” que magnifica el brillo y el tamaño aparentes de las galaxias que se encuentran detrás, muchísimo más lejos (para la nueva galaxia MACS1149-JD1 se estima que la lente ha amplificado su brillo en un factor 15×). En galaxias con corrimientos  z ∼ 6 estas lentes gravitatorias permiten revelar muchos detalles morfológicos y realizar análisis de su espectro de luz, sobre todo gracias al telescopio espacial infrarrojo Spitzer. La combinación de observaciones ópticas con el Hubble e infrarrojas con el Spitzer permite estudiar algunas líneas espectrales y estimar el corrimiento z con precisión.

Ron Cowen en Nature News nos cuenta que Richard Ellis (California Institute of Technology in Pasadena) dice que lo más excitante del nuevo artículo no aparece dicho de forma explícita. El campo óptico observado es tan pequeño, que observar una nueva galaxia con z ∼ 10 indica que hay un número de galaxias con corrimientos al rojo tan grandes mucho mayor de lo que estimaban los astrónomos. La radiación ionizante de estas primeras galaxias tuvo un importante papel en la reionización que ocurrió en la edad oscura, cuando todo el universo estaba repleto de un gas oscuro y frío de hidrógeno (los electrones y los protones se combinaran en hidrógeno). Era una época oscura porque no había aún objetos luminosos. Esta fase se terminó cuando las primeras estrellas se formaron y su intensa radiación ultravioleta lentamente volvió a hacer trasparente el gas hidrógeno, al separar los átomos de hidrógeno en electrones y protones, un proceso conocido como reionización. Si el número de galaxias con z ∼ 10 es tan grande como parecen indicar los nuevos descubrimientos, esta época en la historia temprana del Universo tuvo que durar menos tiempo del que se pensaba lo que afectaría a nuestros modelos sobre la formación de grandes estructuras en el universo (claves para entender cosas tan importantes como la evolución temprana de la energía oscura).

El telescopio espacial Hubble descubre la galaxia con mayor corrimiento al rojo (z≈10)

Ver una galaxia con z ≈ 10 significa que la vemos como era 500 millones de años despúes de la gran explosión (Big Bang), cuando el universo tenía tan solo el 4% de su edad actual. No se ha observado ninguna otra galaxia con z>8 y la comparación entre la nueva galaxia y las encontradas con z ≈ 8 (unos 200 millones de años más tarde) indica que su tasa de formación estelar es un ~10% inferior, lo que sugiere que el estudio de las galaxias con z > 9-10 es crucial para entender la formación de las primeras galaxias. Hay que recordar que ya se han observado unas 6.000 galaxias con 6>z>3, es decir, entre 900 y 2.000 millones de años tras la gran explosión, pero se han observado muy pocas galaxias con z ≈ 8 (la más antigua conocida tenía z ≈ 8.2). Nos lo cuenta Naveen A. Reddy, “Cosmology: A glimpse of the first galaxies,” Nature 469: 479–481, 27 January 2011, que se hace eco del artículo técnico de R. J. Bouwens et al., “A candidate redshift z ≈ 10 galaxy and rapid changes in that population at an age of 500 Myr,” Nature 469: 504–507, 27 January 2011.

La nueva galaxia ha sido observada gracias a la nueva cámara de gran campo (WFC 3 por Wide Field Camera) instalada a mediados de 2009 en el telescopio espacial Hubble. Este instrumento es 30 veces más sensible que la WFC 2 y permite encontrar galaxias muy débiles de alto corrimiento al rojo. Técnicamente, han utilizando un método llamado “discontinuidad galáctica Lyman” (Lyman break galaxy) que busca mediante un filtro azul la línea Lyman-α en el espectro del hidrógeno galáctico. La técnica utiliza las imágenes obtenidas por la WFC3 a través de varios filtros y su análisis es complicado. Por ello será necesario que se confirme el corrimiento al rojo de la nueva galaxia por un método independiente. Aún así, se trata de un gran hallazgo que ha merecido ser publicado en Nature.

¿Cómo dieron origen a las primeras galaxias las fluctuaciones primordiales tras la gran explosión? La única manera de contestar a esta pregunta es mediante el estudio de las primeras galaxias, que se formaron tras la fase de reionización (6 < z < 20, o entre 150 y 1.000 millones de años tras la gran explosión). “Se piensa que la reionización ocurrió cuando las primeras generaciones de estrellas de población III y cuásars emitieron radiación que reionizó el universo, volviendo a hacerlo un plasma ionizado” [wiki]. El nuevo hallazgo sugiere una conexión estrecha entre la formación de galaxias y la materia oscura en el universo temprano. Parece ser que el crecimiento de las primeras galaxias refleja el de los halos de materia oscura de dichas galaxias. Esta similitud sugiere que, a pesar de la compleja física de la formación galáctica, la formación estelar está dominada por efectos gravitatorios; gracias a ello se puede estimar la luminosidad de una galaxia primigenia. 

La gran esperanza de los cosmólogos para estudiar en detalle la formación de las primeras galaxias es el telescopio espacial James Webb (JWST), cuyo lanzamiento está programado para 2014. Un espejo mucho mayor y unos detectores infrarrojos mucho más sensibles (capaces de observar galaxias con z > 10) permitirá un estudio detallado del papel de las primeras galaxias en la reionización. Todo el mundo espera que el JWST revolucione nuestro conocimiento sobre las galaxias más distantes y más débiles.

El telescopio Hubble observa el objeto astronómico más lejano hasta ahora (la galaxia UDFy-38135539 con z=8’56)

 

Un trozo de cielo observado por el telescopio espacial Hubble, llamado Campo Ultraprofundo (Ultra Deep Field), muestra el objeto astronómico más lejano conocido hasta ahora. Una galaxia situada a más de 4 mil millones de parsecs de la Tierra con un corrimiento al rojo de z = 8’56 (el récord anterior era z = 8’2) compuesta por unos mil millones de estrellas y que se formó a los 600 millones de años después de la gran explosión (Big Bang). La figura muestra un trozo de la imagen obtenida por Hubble junto al espectro de la galaxia UDFy-38135539, que presenta una clara línea de emisión Lyman-α del hidrógeno. Dicho espectro ha sido confirmado por el Espectrógrafo de Campo Integral SINFONI del Telescopio Muy Grande (VLT) en Chile (requirió 16 horas de observación). UDFy-38135539 es la primera galaxia que se sabe seguro que haya vivido en la época de reionización y se cree que está rodeada por una burbuja de gas de hidrógeno ionizado con un radio de al menos 1 millón de parsecs. Un récord que será difícil de batir, aunque el futuro telescopio espacial James Webb (JWST) será capaz de detectar la raya Lyman-α de galaxias de hasta z = 8’9. Nos lo ha contado Michele Trenti, “Astronomy: Galaxy sets distance mark,” Nature 467: 924–925, 21 October 2010, haciéndose eco del artículo de Matthew D. Lehnert et al., “Spectroscopic confirmation of a galaxy at redshift z = 8.6,” Nature 467: 940–942, 21 October 2010.

PS: Más información divulgativa en “Hallan la galaxia más lejana observada hasta el momento. UDFy-38135539 está a 13.100 millones de años luz, por lo que sus fotones han tardado en llegar a la Tierra casi el mismo tiempo que lleva existiendo el Universo,” EFE, El Correo.com, 20/oct/2010 [visto en Menéame].

La evolución de la supernova 1987A desde 1994 a 2006 filmada por el telescopio espacial Hubble

Abre esta entrada un vídeo espectacular donde los haya. Una vez al año, desde 1994 a 2006, el telescopio espacial Hubble ha apuntado hacia la supernova 1987A. Se publica en Science el análisis técnico de dicho vídeo. La fuente central desaparece poco a poco, mientras se ensancha, hasta casi desaparecer. El anillo brillante que la rodea muestra una serie de puntos calientes que han surgido poco a poco, debidos a la compresión y calentamiento producido cuando la onda de choque de la explosión de supernova lo atraviesa. El vídeo forma parte de la información suplementaria del artículo técnico de Kevin France et al., “Observing Supernova 1987A with the Refurbished Hubble Space Telescope,” Science Express, Published Online September 2, 2010 [que los interesados en disfrutarlo pueden descargar gratis en ArXiv]. Se han hecho eco de esta noticia gran número de medios, como Rhiannon Smith, “‘Lost years’ end for backyard supernova. Data from repaired Hubble telescope uncover new secrets about our nearest supernova,” Nature News, Published online 2 September 2010, y en español “El ‘Hubble’ vuelve a contactar con la supernova 1987A. Es la primera imagen del fenómeno captada por el telescopio desde que se estropeó,” Público.es, 07/09/2010. 

Nos recuerda la wiki que SN 1987A es una supernova de tipo IIp que tuvo lugar en las afueras de la Nebulosa de la Tarántula (NGC 2070), situada en la Gran Nube de Magallanes, galaxia enana cercana a la Vía Láctea. Una supernova visible a simple vista desde el 23 de  febrero de 1987 durante varios meses (con un brillo aparente de magnitud 3), es la supernova documentada más cercana a la Tierra desde SN 1604, la supernova de Kepler, que apareció en la misma Vía Láctea. La estrella progenitora fue identificada como Sanduleak -69° 202a, una supergigante azul de tipo espectral B3. Actualmente se piensa que la progenitora era una estrella binaria, cuyas componentes se fusionaron unos 20.000 años antes de la explosión, que ocurrió hace  a 168.000 años. La supergigante azul es la razón de la existencia de los anillos visibles en el remanente. Se ha estado buscando el núcleo colapsado, que debería ser una estrella de neutrones, sin éxito. Quizás está oculta entre densas nubes de polvo y no es visible, o quizás tras la explosión grandes cantidades de material volvieron a caer de nuevo sobre la estrella de neutrones, por lo que continuó colapsando hacia un agujero negro.

El nuevo artículo de Science compara las observaciones recientes (31 de enero de 2010) gracias al espectrógrafo reparado del Hubble y las compara con las obtenidas en julio de 2004 (antes de que fallara en agosto de 2004). El artículo se centra en la interacción entre la onda de choque de la explosión y el anillo de materia que la rodea. El primer punto brillante (hotspot) en el anillo se descubrió en 1995 y en la actualidad se observan unos 30. La película de vídeo que acompaña esta entrada y el artículo técnico presenta la evolución de estos hotspots durante 15 años. El anillo de materia está formado por hidrógeno ionizado y helio que se expande de forma libre desde la explosión. Cuando la onda de choque atraviesa los átomos de hidrógeno los excita produciendo líneas espectrales de emisión Ly-α (1216 Å) y H-α (6563 Å), la línea de emisión alfa de la serie de Lyman (Ly-α se lee Lyman-alfa) y la línea de emisión alfa de la serie de Balmer (H-α se suele leer Balmer-alfa). Los investigadores han observado el efecto Doppler en estas líneas. Las línea en el norte del anillo están corridas hacia el azul y las líneas del sur lo están hacia el rojo, lo que indica que las primeras se acercan a nosotros a unos 8000 km/s y las segundas se alejan a unos 8500 km/s (las velocidades son estimaciones aproximadas).

El asteroide Pallas desde las imágenes del Hubble a las recreaciones artísticas en artículos técnicos

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La imagen que abre esta entrada son las mejores imágenes disponibles del segundo cuerpo más grande del cinturón de asteroides entre Marte y Júpiter en el Sistema Solar, llamado Pallas. Dichas imágenes fueron obtenidas en 2007 por el telescopio espacial Hubble. Las siguientes son reconstrucciones por ordenador a partir de dichas imágenes. Todo bien hasta ahí. Sin embargo, me soprende el gran número de recreaciones artísticas de la superficie de Pallas que aparecen en los medios, muy alejadas de lo que realmente ha sido observado. El propio artículo técnico, publicado hoy en Science, presenta varias imágenes vistosas obtenidas por reconstrucción tridimensional y mucho Photoshop que maquillan las reconstrucciones 3D cual se maquilla la cara de una modelo de portada de revista. Me resulta increíble que los especialistas tengan que recurrir a dichas imágenes retocadas incluso en artículos técnicos como B. E. Schmidt et al. “The Shape and Surface Variation of 2 Pallas from the Hubble Space Telescope,” Science 326: 275-278, 9 October 2009.

La forma de Pallas es de un elipsoide con radios 291 (±9), 278 (±9), y 250 (±9) kilómetros, lo que implica una densidad de 2400 (±250) kilogramos por metro cúbico, es decir, un cuerpo formado por un material rico en agua. El único cráter que se observa realmente en las imágenes del Hubble es un crácter de impacto con un diámetro de  240 (±25) kilómetross. Sin embargo, el propio artículo técnico presenta la siguiente imagen (izquierda), con detalles de cráteres minúsculos, que verlos, verlos, no los ha visto nadie y son sólo parte de la imaginación del artista que ha utilizado Photoshop para maquillar su superficie.

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¿Realmente un artículo científico técnico requiere dicho maquillaje de las imágenes? ¿Maquillar los resultados experimentales no es científicamente reprobable? Ahí os dejo estas preguntas para la reflexión.