DESDE EL OBSERVATORIO | Galaxias jóvenes y telescopios naturales

Jaime García
Instituto Copérnico

 

Hace unas tres décadas, estando de visita en el Centro de Astrofísica de la Universidad de Harvard, tuve oportunidad de conocer al astrónomo uruguayo Emilio Falco. Con él tuve las primeras conversaciones serias acerca de un fenómeno que había estudiado durante mi posgrado como parte de un seminario sobre la Teoría General de la Relatividad de Albert Einstein.

Una de las más importantes predicciones de la Relatividad es el desvío de la luz provocado por la presencia de una masa y que fuera verificada durante la observación de un eclipse solar total de 1919.

La cuestión es que si una masa “dobla” los rayos de luz provenientes de una fuente que se encuentra detrás, el resultado para el que observa sería asimilable a lo que ocurre con una lente convergente (una lupa, por ejemplo): la imagen se amplifica y puede replicarse.

 

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Existen objetos muy masivos en el universo, distribuidos en todas direcciones. Tanto galaxias individuales como cúmulos de galaxias forman parte de ese conjunto. Por lo tanto, pensar en que ellos podrían actuar como telescopios naturales no es una idea descabellada. Sobre eso fue que conversamos con Emilio Falco, uno de los grandes especialistas en este tema, hace ya tres décadas.

Desde aquellos años, el desarrollo de estas ideas ha tenido un tremendo progreso, desde el descubrimiento de supernovas localizadas en los confines del universo hasta galaxias muy masivas y con núcleos activos (cuásares) de cuando el cosmos tenía una pequeña fracción de su edad actual.

Pero esta semana, dos grupos de astrónomos usando el conjunto de telescopios ALMA  (Atacama Large Millimeter / submillimeter Array) liderados por Seiji Fujimoto (Observatorio Nacional del Japón) y por Nicolas Laporte (Instituto Kavli de Cosmología – Universidad de Cambridge) encontraron una pequeña galaxia en rotación del 1%  del tamaño de la Vía Láctea en un momento en que el Universo tenía sólo el 7% de su edad actual. Gracias a la ayuda del efecto de lente gravitacional, el equipo pudo explorar por primera vez la naturaleza de las “galaxias normales” pequeñas y oscuras en el Universo temprano, representativas de la población principal de las primeras galaxias, lo que implica en una mejora enorme de nuestra comprensión de los primeros pasos de la evolución de las galaxias.

 

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Imagen del cúmulo de galaxias RXCJ0600-2007 tomada por el Telescopio Espacial Hubble de la NASA / ESA, combinada con imágenes de lentes gravitacionales de la galaxia distante RXCJ0600-z6, a 12.400 millones de años luz de distancia, observada por ALMA (en rojo). Debido al efecto de lente gravitacional del cúmulo de galaxias, la imagen de RXCJ0600-z6 se intensificó y amplió y pareció dividirse en tres o más partes. Crédito: ALMA (ESO / NAOJ / NRAO), Fujimoto et al., NASA / ESA Hubble Space Telescope

 

El equipo de ALMA Lensing Cluster Survey (ALCS) utilizó ALMA para buscar una gran cantidad de galaxias en el Universo temprano ampliadas por lentes gravitacionales. Combinando el poder de ALMA, con la ayuda de los telescopios naturales, los investigadores pueden descubrir y estudiar galaxias más débiles.

¿Por qué es crucial explorar las galaxias más débiles del Universo temprano? La teoría y las simulaciones predicen que la mayoría de las galaxias formadas unos cientos de millones de años después del Big-Bang son pequeñas y, por lo tanto, débiles. Aunque, como dijimos más arriba, se han observado varias galaxias en el Universo temprano, las estudiadas se limitaron a los objetos más masivos, y por lo tanto a las galaxias menos representativas, debido a las capacidades de los telescopios. La única forma de comprender la formación estándar de las primeras galaxias y obtener una imagen completa de su formación es centrarse en las más débiles y numerosas.

El equipo de ALCS realizó un programa de observación a gran escala que tomó 95 horas (un tiempo muy largo para las observaciones de ALMA), para observar las regiones centrales de 33 cúmulos de galaxias que podrían causar lentes gravitacionales. Uno de estos cúmulos, llamado RXCJ0600-2007, está ubicado en la dirección de la constelación de Lepus (la liebre) y tiene una masa 1000 billones de veces la del Sol. El equipo descubrió una única galaxia distante que está siendo afectada por la lente gravitacional creada por este telescopio natural. Un análisis más detallado de estos datos sugirió que una parte de esta fuente se ve 160 veces más brillante de lo que es intrínsecamente.

Al medir con precisión la distribución de masa del cúmulo de galaxias, es posible “deshacer” el efecto de lente gravitacional y restaurar la apariencia original del objeto ampliado. Al combinar datos del Telescopio Espacial Hubble y del Very Large Telescope del Observatorio Europeo Austral con un modelo teórico, el equipo logró reconstruir la forma real de la galaxia distante RXCJ0600-z6. La masa total de esta galaxia es aproximadamente de 2 a 3 mil millones de veces la del Sol, que es aproximadamente una centésima parte del tamaño de nuestra Vía Láctea.

Lo que asombró al equipo es que RXCJ0600-z6 está girando. Tradicionalmente, se pensaba que el gas en las galaxias jóvenes tenía un movimiento caótico aleatorio. Solo recientemente ALMA ha descubierto varias galaxias jóvenes en rotación que han desafiado el marco teórico tradicional, pero ellas eran varios órdenes de magnitud más brillantes y, por lo tanto, más grandes que RXCJ0600-z6.

El hecho que RXCJ0600-z6 tenga un factor de aumento muy alto también genera expectativas para futuras investigaciones. Esta galaxia ha sido seleccionada, entre cientos, para ser observada por el Telescopio Espacial James Webb (JWST), el telescopio espacial de próxima generación que se lanzará esta primavera austral. A través de observaciones conjuntas utilizando ALMA y el JWST, será posible revelar las propiedades del gas y las estrellas en una galaxia pequeña y sus movimientos internos. Cuando se completen el Telescopio de Treinta Metros y el Telescopio Extremadamente Grande, será posible que puedan detectar cúmulos de estrellas en la galaxia y posiblemente incluso resolver estrellas individuales.

 


Referencias

Seiji Fujimoto et al. “ALMA Lensing Cluster Survey: Bright [CII] 158 μm Lines from a Multiply Imaged Sub-L* Galaxy at z = 6.0719” in the Astrophysical Journal on April 22, 2021 (DOI: https://doi.org/10.3847/1538-4357/abd7ecs)

Nicolas Laporte et al. “ALMA Lensing Cluster Survey: a strongly lensed multiply imaged dusty system at z > 6” in the Monthly Notices of the Royal Astronomical Society on April 22, 2021.