1 may. 2014

Sorpresa por la presencia de galaxias maduras en el Universo primitivo

Los astrónomos han detectado dos galaxias extremadamente distantes, la cuales ha sido clasificadas como dentro de los diez objetos astronómicos más distantes conocidos hasta el momento. Sorprendentemente, se ha podido demostrar que sólo unos pocos miles de millones de años después del Big Bang, algunas galaxias ya existían de una manera madura, al parecer después de haber completado la acumulación de gas primordial.
Para investigar las condiciones internas de las galaxias en formación, James Rhoads y Sangeeta Malhotra, ambos de la Universidad Estatal de Arizona, han apuntado a dos galaxias jóvenes, conocidas como SDSS0901 y el Clon. La luz de las dos galaxias ha tomado 10 mil millones de años en alcanzarnos a través del espacio. Por lo tanto, estamos viendo a estos dos miembros galácticos cuando eran relativamente jóvenes, en los tiempos en que el Universo recién se había formado. Rhoads estudia la formación y evolución de las galaxias y la llamada re-ionización del hidrógeno intergaláctico producido por las primeras galaxias. La investigación de Malhotra apunta a estudiar las propiedades del gas y el polvo del medio interestelar cercano, y también a algunas de las galaxias más lejanas conocidas. En los últimos años también han colaborado en la búsqueda y caracterización de las galaxias en el amanecer cósmico, cuando el universo tenía menos de mil millones de años de antigüedad.

Galaxias primitivas. Crédito: Herschel / HIFI
El proyecto actual se centra en un tiempo un poco más tarde, lo que podría llamarse el “mediodía” en la formación de estrellas en el universo. Un momento en que el universo tenía cerca de 3 mil millones de años, y cuando el nacimiento estelar dentro de las galaxias era mucho más activo de lo que es hoy.
"El propósito de este proyecto es el estudio de las condiciones físicas del gas en esas galaxias. Queríamos saber si son similares a las galaxias que nos rodean hoy, o hay alguna diferencia en sus condiciones físicas", dice Rhoads.
Las dos galaxias que eligieron estudiar para ese momento de la historia cósmica son alrededor de un 10 a 20 por ciento del tamaño de nuestra Vía Láctea, que se considera una galaxia con un tamaño promedio en el universo actual.

Las lentes gravitatorias ayudan al estudio de estas galaxias lejanas

El estudio de las galaxias lejanas es difícil porque se muestran demasiado tenues como para ser estudiadas con eficacia. Aunque en este caso, los investigadores fueron ayudados por un "telescopio cósmico" conocido como lente gravitacional. Las dos galaxias se encuentran justo detrás de grupos de galaxias masivas, cuya gravedad curva el espacio intermedio. Según lo descrito por Albert Einstein en Teoría General de la Relatividad y corroborado por gran cantidad de observaciones, esta deformación actúa como una lente. A pesar de que distorsiona las imágenes de las galaxias jóvenes, ayuda al magnificar su luz. Por ello, a pesar de ser galaxias extremadamente lejanas, pueden estudiarse con el detalle con que se analizan las cercanas. El instrumento usado para tal menester fue el HIFI del Observatorio Herschel.

Espectroscopía infrarroja para determinar la rotación de las galaxias lejanas

Los investigadores utilizaron el HIFI para investigar la luz infrarroja producida por el carbono ionizado, que se emite a una longitud de onda de 158 micrómetros. Esta línea espectral se produce en las nubes que rodean a las regiones de formación estelar. El HIFI mostró irregularidades en la mencionada línea, la cual apareció como un doble pico. Esto permitió a los astrónomos medir el movimiento de rotación de la galaxia.
"Los dos picos representan los dos extremos de una galaxia en rotación. Un lado está girando alejándose de nosotros, y el otro viene hacia nosotros. El ensanchamiento de los picos nos da una indicación de la aleatoriedad del movimiento de rotación", explica Malhotra.
Es decir que al igual que con la luz visible, las líneas espectrales infrarrojas se desplazan hacia el extremo de menor frecuencia cuando el objeto se aleja y de mayor frecuencia cuando el objeto se acerca. Una línea que se espera encontrar dentro de los 158 micrómetros se hallará en longitudes de onda mayores en el sector de la galaxia en alejamiento y en longitudes de onda menores en el sector de la galaxia en acercamiento.

Se esperaba encontrar gran turbulencia en la rotación galáctica y no fue así

Lo que se esperaba encontrar, era una galaxia en rotación pero con mucha turbulencia en las nubes de gas, característico de las galaxias recién formadas. Pero para su sorpresa, los astrónomos encontraron que la galaxia S0901 se mostró extremadamente ordenada. En lugar de la turbulencia esperada, se detectó que presentaba una rotación ordenada, mucho más afín a las galaxias majestuosas que se ven hoy, luego de muchos miles de millones de años de evolución.
"Por lo general, cuando los astrónomos analizan las galaxias en esta primera época, se encuentran con que la turbulencia juega un papel mucho más importante de lo que lo hace en las galaxias modernas. Pero S0901 es una clara excepción a ese patrón, y el Clon podría ser otro", dice Rhoads.
El Clon, la segunda galaxia en estudio, también mostró una rotación ordenada. Sin embargo, debido a que era un poco más tenue, la calidad de los datos no fue tan buena como para que estos datos sean determinantes. Lo cual vendría a significar que esta galaxia bien podría ajustarse también a un modelo de alta turbulencia, como lo indican los modelos tradicionales de galaxias en las etapas tempranas de su evolución.
"Las galaxias de hace 10 mil millones años estaban produciendo estrellas de manera más activa que en la actualidad", dice Malhotra. Y continúa diciendo que por lo general también se muestran con mucha más turbulencia, probablemente debido a que se está acumulando gas sobre ellas de forma más rápida que en una galaxia moderna. “Pero aquí”, aclara “tenemos los casos de las dos primeras galaxias que combinan una rotación calma con formación estelar activa.
La rotación calma, sin turbulencia, es característica de las galaxias modernas, maduras. La activa formación estelar, entretanto, caracteriza a las galaxias en las etapas tempranas de su formación. Esta combinación encontrada en estas dos galaxias sugiere: primero, que estas galaxias han terminado de acumular gas primordial, al menos por el momento; y segundo, que la turbulencia no es realmente necesaria para provocar una temprana y activa formación de estrellas.

Se necesitan más estudios de otras galaxias distantes

Malhotra reconoce el carácter preliminar de su estudio. "Esta no es la última palabra en el tema. Necesitamos una muestra galáctica más grande para estar seguros de nuestras conclusiones ".
Pero esa muestra más grande no será investigada por el Herschel. El refrigerante de helio líquido necesario para mantener el instrumento HIFI y otros instalados en el Herschel se acabó en abril de 2013. En su lugar, los investigadores esperan poder continuar con el trabajo iniciado por el Herschel utilizando el Atacama Large Millimeter Array (ALMA).
"Es increíble que con el Herschel / HIFI (aunque con la ayuda de la lente gravitatoria) se haya podido estudiar la cinemática del gas interno en las galaxias cuando el Universo tenía sólo unos pocos miles de millones de años. Este trabajo pionero del Herschel está obligado a continuar", dice Göran Pilbratt, científico del Proyecto Herschel de la Agencia Espacial Europea.

Por Mariano Miguel Lanzi

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