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Primera detección de galaxias oscuras en el universo temprano



 Por primera vez se han detectado galaxias oscuras, una etapa temprana de la formación de la galaxia, predicha teóricamente, pero nunca observada hasta ahora. Estos objetos son, esencialmente, galaxias ricas en gas que no contienen estrellas. Utilizando el telescopio Very Large Telescope de ESO, un equipo internacional ha detectado estos evasivos objetos observando su brillo al ser iluminados por la luz de un cuásar.

Las galaxias oscuras son pequeñas, galaxias del universo temprano ricas en gas, muy ineficientes a la hora de formar estrellas. Su existencia se predijo en las teorías que tratan la formación de galaxias y se cree que son  los ladrillos básicos de las actuales galaxias brillantes y cargadas de estrellas. Los astrónomos creen que han debido alimentar galaxias de mayor tamaño con gran parte del gas que más tarde formó las estrellas que existen actualmente.



Ya que están privadas de estrellas, estas galaxias oscuras no emiten mucha luz, lo que las hace muy difíciles de detectar. Durante años, los astrónomos han intentado desarrollar nuevas técnicas con el fin de confirmar la existencia de estas galaxias. Small absorption dips in the spectra of background sources of light have hinted at their existence. Pequeñas bajadas de absorción en el espectro de fuentes de luz situadas detrás, han delatado su existencia. Aún así, este nuevo estudio es el primero que consigue ver estos objetos de manera directa.

“La solución al problema de detectar una galaxia oscura era, simplemente, arrojar un poco de luz sobre ella.” explica Simon Lilly (ETH Zurich, Suiza), coautor del artículo. “Buscábamos el brillo fluorescente del gas en las galaxias oscuras al ser iluminadas por la luz ultravioleta de un cuásar cercano y muy brillante. La luz del cuásar hace que la galaxia oscura se encienda en un proceso similar al que se da cuando la ropa blanca se ilumina con luz ultravioleta en una discoteca.” [1]



El equipo utilizó la gran superficie colectora y la precisión del Very Large Telescope (VLT), junto con una serie de exposiciones muy largas, para detectar el débil brillo fluorescente de las galaxias oscuras. Utilizaron el instrumento FORS2 para sondear una región del cielo alrededor del brillante cuásar [2] HE 0109-3518, buscando la luz ultravioleta que emite el hidrógeno cuando está sujeto a fuertes radiaciones. Debido a la expansión del universo, cuando la luz llega al VLT, en realidad se observa como una sombra de color violeta. [3]

“Tras varios años intentando detectar la emisión fluorescente de las galaxias oscuras, los resultados demuestran el potencial de nuestro método para descubrir y estudiar estos fascinantes objetos, antes ocultos a nuestros ojos,” afirmas Sebastiano Cantalupo (Universidad de California, Santa Cruz, EE.UU.), autor principal de este estudio.

El equipo detectó casi 100 objetos gaseosos que se encuentran a unos pocos millones de años luz del cuásar. Tras un cuidadoso análisis (diseñado para excluir objetos en los cuales la emisión podría ser potenciada por formación de estrellas en el interior de la galaxia, más que por la luz del cuásar), finalmente estrecharon su búsqueda, limitándola a 12 objetos. Es la identificación de galaxias oscuras en el universo temprano más convincente de las llevadas a cabo hasta el momento.


Esta imagen profunda muestra la región del cielo que rodea al cuásar HE0109-3518. El cuásar está marcado con un círculo rojo, cerca del centro de la imagen. La radiación energética del cuásar hace que las galaxias oscuras brillen, ayudando a los astrónomos a comprender las oscuras fases iniciales de la formación de galaxias. El débil brillo de doce galaxias oscuras está marcado con círculos azules. Las galaxias oscuras no tienen estrellas, por lo que no emiten luz que pueda ser captada por los telescopios. Esto hace que sea virtualmente imposible observarlas a no ser que sean iluminadas por una fuente de luz externa, como un cuásar situado detrás.
Esta imagen combina observaciones del Very Large Telescope (preparado para detectar las emisiones fluorescentes producidas por el cuásar que ilumina las galaxias oscuras) con información de color procedente del sondeo Digitized Sky Survey 2.



Los astrónomos también fueron capaces de determinar algunas de las propiedades de las galaxias oscuras. Estimaron que la masa del gas que contienen es de alrededor de mil millones de veces la masa del Sol, algo típico de las galaxias de baja masa ricas en gas del universo temprano. También pudieron estimar que la eficiencia en formación estelar  se reduce en un factor de más de 100 en relación a las típica galaxias con formación estelar encontradas en un estadio similar de la historia cósmica. [4]

“Nuestras observaciones con el VLT nos han proporcionado una evidencia de la existencia de nubes oscuras compactas y aisladas. Con este estudio, hemos dado un paso crucial para revelar y comprender tanto las oscuras fases iniciales de la formación estelar, como el proceso por el cual adquieren su gas”, concluye Sebastiano Cantalupo.

El espectrógrafo de campo integral MUSE, que iniciará su fase de puesta a punto en el VLT en 2013, será una herramienta extremadamente poderosa para el estudio de estos objetos.

Esta imagen muestra 12 imágenes seleccionadas de galaxias oscuras. Dado que apenas tienen estrellas, en condiciones normales no serían captadas por un telescopio. Sin embargo, su gas ha sido iluminado por la intensa luz de un cuásar cercano, haciéndolas visibles al VLT.



Notas

[1] La fluorescencia es la emisión de luz por parte de una sustancia que, a su vez, es iluminada por una fuente de luz. En la mayor parte de los casos, la luz emitida tiene una longitud de onda mayor que la fuente de luz. Por ejemplo, las lámparas fluorescentes transforman la radiación  ultravioleta — invisible para nosotros — en luz visible. La fluorescencia aparece de forma natural en algunos componentes, como algunas rocas o minerales, pero también puede añadirse de forma intencionada, como en los detergentes, que contienen fluorescentes químicos para hacer que la ropa blanca parezca más brillante bajo la luz normal.

[2] Los cuásares son galaxias distantes muy brillantes que se cree contienen un agujero negro supermasivo en su centro, el cual los alimenta. Su brillo los convierte en potentes faros que pueden ayudar  a iluminar las áreas circundantes, dando a conocer la era en la que las primeras estrellas y galaxias se formaban a partir del gas primordial.

[3] Esta emisión del hidrógeno es conocida como emisión Lyman-alfa, y se produce cuando los electrones de los átomos de hidrógeno saltan del segundo subnivel al nivel más bajo de energía. Es un tipo de luz ultravioleta. Debido a la expansión del universo, la longitud de onda de la luz que proviene de estos objetos va desplazándose en su camino hacia nosotros. Cuanta mayor sea la distancia, más se desplazará la longitud de onda. Dado que el rojo es la longitud de onda más larga visible a nuestros ojos, este proceso es literalmente un desplazamiento de la longitud de onda hacia el extremo rojo del espectro — de ahí el nombre ‘desplazamiento al rojo’ (‘redshift’ en inglés). El cuásar HE 0109-3518 tiene un desplazamiento al rojo o redshift de z = 2.4, y la luz ultravioleta de las galaxias oscuras se mueve dentro del espectro visible. Se diseñó un filtro de banda estrecha específico para aislar una longitud de onda concreta de la luz a la cual se desplazaba la emisión fluorescente. El filtro se centró en los 414,5 nanometros con el fin de capturar la emisión Lyman-alfa desplazada a z=2.4 (esto corresponde a una sombra del violeta) y tiene un paso de banda de solo 4 nanometros.

[4] La eficiencia en formación estelar es la masa de nuevas estrellas formadas según la masa de gas disponible para formar estrellas. Se descubrió que estos objetos necesitarían más de cien mi millones de años para convertir su gas en estrellas. Estos resultados concuerdan con recientes estudios teóricos que han sugerido que los halos de baja masa, ricos en gas, con alto desplazamiento al rojo, pueden tener una tasa de formación estelar muy baja como consecuencia de un bajo contenido en metales.




Información adicional

Esta investigación fue presentada en el artículo titulado "Detección de galaxias oscuras y filamentos circumgalácticos iluminados por fluorescencia por un cuásar con desplazamiento al rojo z=2,4 (Detection of dark galaxies and circum-galactic filaments fluorescently illuminated by a quasar at z=2.4)", por Cantalupo et al., que aparecerá en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

El equipo está compuesto por Sebastiano Cantalupo (Universidad de California, Santa Cruz, EE.UU.), Simon J. Lilly (ETH Zurich, Suiaza) y Martin G. Haehnelt (Instituto Kavli de Cosmología, Cambridge, Reino Unido).

El año 2012 marca el 50 aniversario de la creación del Observatorio Europeo Austral (European Southern Observatory, ESO). ESO es la principal organización astronómica intergubernamental de Europa y el observatorio astronómico más productivo del mundo. Quince países apoyan esta institución: Alemania, Austria, Bélgica, Brasil, Dinamarca, España, Finlandia, Francia, Holanda, Italia, Portugal, el Reino Unido, República Checa, Suecia y Suiza. ESO desarrolla un ambicioso programa centrado en el diseño, construcción y operación de poderosas instalaciones de observación terrestres que permiten a los astrónomos hacer importantes descubrimientos científicos. ESO también desarrolla un importante papel al promover y organizar la cooperación en investigación astronómica. ESO opera tres sitios únicos de observación de categoría mundial en Chile: La Silla, Paranal y Chajnantor. En Paranal, ESO opera el Very Large Telescope, el observatorio óptico más avanzado del mundo, y dos telescopios de rastreo. VISTA trabaja en el infrarrojo y es el telescopio de rastreo más grande del mundo, y el VST (sigla en inglés del Telescopio de Rastreo del VLT) es el telescopio más grande diseñado exclusivamente para rastrear el cielo en luz visible. ESO es el socio europeo de un revolucionario telescopio, ALMA, el proyecto astronómico más grande en desarrollo. Actualmente ESO está planificando el European Extremely Large Telescope, E-ELT, el telescopio óptico y de infrarrojo cercano de categoría 40 metros, que llegará a ser “el ojo más grande del mundo para mirar el cielo”.




Enlace original: ESO.

El destino de la Vía Láctea es colisionar contra la galaxia de Andrómeda


Astrónomos de la NASA anunciaron ayer que ahora pueden predecir con certeza cómo será el próximo evento titánico que afectará a nuestra galaxia: su colisión con la galaxia de Andrómeda.

Durante este encuentro, la Vía Láctea sufrirá un radical cambio de imagen, que se prevé ocurrirá dentro de cuatro mil millones de años. Es muy probable que el Sol sea eyectado a otra parte de la galaxia pero eso no implica que vayan a ser destruidos nuestra Tierra y el Sistema Solar en el evento.

"Nuestros hallazgos son estadísticamente compatibles con un choque frontal entre la galaxia de Andrómeda y nuestra galaxia, la Vía Láctea", dijo Roeland van der Marel del Space Telescope Science Institute (STScI) en Baltimore.

Esta solución llegó a través de meticulosas mediciones realizadas con el telescopio espacial Hubble de la NASA. La galaxia de Andrómeda se encuentra ahora a 2,5 millones de años luz de distancia, pero cae inexorablemente hacia nosotros fruto de la gravedad mutua que existe entre las dos galaxias y la materia oscura invisible que rodea a ambas.



"Después de casi un siglo de especulaciones sobre el destino de nuestra galaxia y el de la galaxia de Andrómeda, ahora tenemos una idea clara de lo que ocurrirá en los próximos miles de millones de años", dijo Sangmo Tony Sohn del STScI.


El escenario es similar a cuando se acerca hacia nosotros corriendo un bateador de béisbol. La diferencia es que Andrómeda se nos acerca más de 2.000 veces más rápido, y tardará 4 mil millones de años en hacer un strike.

Las simulaciones informáticas derivadas de los cálculos del Hubble muestra que las dos galaxias tardarán después otros 2 mil millones de años, tras el encuentro, en interaccionar y fusionarse por completo para formar finalmente una única galaxia elíptica, muy similar a las que se ven en nuestro Grupo Local.

A pesar de que las galaxias chocan unas contra las otras, las estrellas de cada una de ellas están tan separadas entre sí que no suelen colisionar durante este encuentro. Sin embargo, las estrellas son arrojadas hacia nuevas órbitas en torno al nuevo centro galáctico. Las simulaciones muestran que nuestro Sistema Solar probablemente será expulsado más a las afueras de la galaxia de lo que está hoy en día.

Para complicar aún más las cosas, la compañera de M31, la galaxia del Triángulo, M33, se fusionará con la galaxia creada en la fusión entre la Vía Láctea y Andrómeda. Además, hay una pequeña posibilidad de que M33 colisione antes con la Vía Láctea que M31.


El Universo se está expandiendo y acelerando, pero las colisiones entre galaxias es un fenómeno que todavía ocurre debido a que están gobernadas en parte por la materia oscura que las rodea. Los datos aportados por el Hubble muestran que las colisiones galácticas eran más comunes en el pasado, cuando el Universo era más pequeño.

Hace un siglo, los astrónomos se percataron de que M31 era una galaxia situada mucho más lejos que las estrellas de la Vía Láctea. Edwin Hubble midió esta distancia gracias a las estrellas variables que pueblan M31.

Hubble llegó a descubrir la expansión del Universo, en la que las galaxias se alejan de nosotros. Pero desde hace tiempo se sabe que M31 se acerca a la Tierra a unos 250.000 millas por hora. Esta velocidad nos permitiría llegar a la Luna en una hora. La medición se realizó utilizando el método Doppler, que consiste en un cambio en la frecuencia y en la longitud de las ondas de luz producidas por una fuente en movimiento respecto a un observador. De esta forma se midió cómo las estrellas de la galaxia de Andrómeda se estaban acercando hacia nosotros.

Primera fila, izquierda: como se ve hoy.
Primera fila, derecha: en 2 mil millones de años el disco de la galaxia de Andrómeda se aproxima y es notablemente mayor.
Segunda fila, izquierda: En 3.75 millones de años, Andrómeda llena el campo de visión.
Segunda fila, Derecha: En 3.85 millones de años, el cielo está illuminado con la formación de nuevas estrellas.
En tercera fila, izquierda: en 3.9 millones de años, la formación de estrellas continúa.
En tercera fila, derecha: en 4 mil millones de años Andrómeda se estira por las mareas y la Vía Láctea se deforma.
Cuarta fila, izquierda: en 5.1 mil millones de años los núcleos de la Vía Láctea y Andrómeda aparecerán como un par de lóbulos brillantes.
Cuarta fila, derecha: en 7 mil millones de años las galaxias se fusionaron formando una enorme galaxia elíptica, su núcleo brillante domina el cielo nocturno.


Anteriormente no se había podido establecer el movimiento lateral hacia nosotros de la galaxia de Andrómeda. Ahora, con los nuevos datos del Hubble, no quedan dudas: Andrómeda está destinada a colisionar y fusionarse con la Vía Láctea.

"Estos resultados se lograron tras observaciones que abarcaron entre 5 y 7 años en el tiempo", dijo Jay Anderson, del STScI.

"En las simulaciones se percibió el modo en el que M31 chocará contra nuestra galaxia. Entonces la Vía Láctea perderá su forma aplanada, los núcleos de las galaxias se fusionarán, y las estrellas se establecerán en órbitas aleatorias para crear una galaxia elíptica", dijo Gurtina Besla de la Universidad de Columbia en Nueva York.

Este estudió aparecerá en tres artículos en un próximo número de la revista Astrophysical Journal.


Enlace original: NASA.

Las galaxias con poderosos agujeros negros en sus núcleos inhiben la formación estelar

 
El Observatorio Espacial Herschel ha demostrados que las galaxias con  poderosos agujeros negros en sus núcleos inhiben la formación estelar, produciendo menos estrellas que las galaxias con agujeros negros menos activos.

"Queremos saber la relación que hay entre la actividad de un agujero negro y la tasa de formación estelar de la galaxia", dijo Mathew Page, autor principal de este estudio. "los dos procesos aumentan en conjunto hasta cierto punto, pero los agujeros negros activos parecen apagar la formación de estrellas."

Se cree que los agujeros negros supermasivos, que poseen un peso equivalente a millones de veces nuestro Sol, residen en los corazones de las grandes galaxias. Cuando el gas se precipita sobre estos monstruos, el material se acelera y se calienta alrededor del agujero negro, liberando grandes torrentes de energía. Al principio de la historia del Universo, los agujeros negros gigantes y luminosos, llamados núcleos galácticos activos, eran mucho más brillantes y energéticos. La formación de estrellas también se fue animando por aquel entonces.


Los estudios de las galaxias cercanas sugieren que los agujeros negros activos pueden inhibir la formación estelar, ya que el gas acelerado que emanan dispersan el gas frío necesario para la formación de nuevas estrellas. Este estudio sólo se ha comprobado en determinados casos sin llegar a concluir en una relación directa entre agujeros negros activos y formación estelar a lo largo de la historia del Universo.

"Para comprender cómo la activación de los núcleos galácticos afecta a la formación de estrellas a lo largo de la historia del Universo, se investigó un momento en el que la formación de estrellas era más vigoroso, entre 8 y 12  mil millones de años atrás," dijo el co-autor James Bock, científico investigador de la NASA, y co-coordinador del Herschel. "En aquella época, las galaxias estaban formando estrellas 10 veces más rápido en promedio de lo que lo hacen hoy en día . Muchas de estas galaxias son increíblemente luminosas, más de 1.000 veces más brillantes que nuestra Vía Láctea."

Para esta nueva investigación, los científicos utilizaron los datos aportados por Herschel de más de 65 galaxias, en la longitud de onda del infrarrojo lejano.  Estas longitudes de onda revelan la tasa de formación estelar, porque la mayoría de la energía liberada por las estrellas en vías de desarrollo calienta el polvo circundante, que a su vez re-irradia la luz estelar en longitudes de onda del infrarrojo lejano.

Los investigadores compararon sus lecturas de infrarrojos con los rayos X emitidos por los agujeros negros activos de los núcleos de las galaxias estudiadas, datos estos últimos aportados por el Chandra, el  Observatorio de Rayos X de la NASA. En menor intensidad, el brillo de los agujeros negros y la formación de estrellas aumentó en sincronía. Sin embargo, la formación de estrellas en las galaxias se inhibió en presencia de los agujeros negros centrales más energéticos. Los astrónomos creen que la radiación emitida por los agujeros negros supermasivos impide que se aproxime la materia prima necesaria para formar nuevas estrellas.

"Ahora que vemos la relación entre agujeros negros activos supermasivos y la formación estelar, queremos saber más sobre cómo funciona este proceso", dijo Bill Danchi, científico del programa  Herschel. "¿Se interrumpe la formación estelar desde el principio en presencia de un agujero negro gigante en el núcleo de la galaxia? ¿Apagan la formación estelar todos los agujeros negros masivos con el tiempo? ¿Lo más activos lo hacen más rápido que los menos energéticos?



Más información en el enlace.

Centaurus A bajo una mirada más profunda


La extraña galaxia Centaurus A ha sido captada en una nueva imagen del Observatorio Europeo Austral. Con un tiempo total de exposición de más de 50 horas, esta es probablemente la imagen más profunda jamás creada de este peculiar y espectacular objeto. Fue obtenida por el instrumento Wide Field Imager (WFI), instalado en el telescopio de ESO de 2,2 metros MPG/ESO, en el Observatorio de La silla, en Chile.

Centaurus A, también conocida como NGC 5128 [1], es una galaxia elíptica masiva muy peculiar con un agujero negro supermasivo en su núcleo. Se encuentra a unos 12 millones de años luz de distancia, en la constelación austral de Centaurus (el centauro) y tiene la particularidad de ser la galaxia del cielo que más destaca en ondas de radio. Los astrónomos piensan que el brillante núcleo, las fuertes emisiones en ondas de radio y los eventos de chorros  generados por Centaurus A son producidos por un agujero negro central con una masa de alrededor de 100 millones de veces la del Sol. La materia de esta densa zona central de la galaxia desprende enormes cantidades de energía a medida que cae sobre el agujero negro.


La imagen obtenida por el instrumento WFI nos permite apreciar la naturaleza de esta galaxia elíptica, mostrándonos la forma alargada de las partes externas más débiles. El brillo que ocupa la mayor parte de la imagen procede de cientos de miles de millones de estrellas más viejas y frías. A diferencia de muchas galaxias elípticas, las suaves formas de Centaurus A se ven perturbadas por una amplia banda irregular de material oscuro que, a su vez, oscurece el centro de la galaxia.

Esta banda oscura alberga una gran cantidad de gas, polvo y estrellas jóvenes. Los cúmulos de estrellas brillantes jóvenes que pueden apreciarse en la banda, en sus extremos superior derecho e inferior izquierdo, muestran  el brillo rojo de las nubes de formación estelar, compuestas de hidrógeno, mientras que algunas nubes de polvo aisladas se siluetean contra el fondo de estrellas. Estas características, junto con la prominente emisión en radio, son una evidencia contundente de que Centaurus A es el resultado de un choque entre dos galaxias. La banda polvorienta probablemente sea el resto resultante de una galaxia espiral mientras está siendo desmantelada por el efecto gravitacional de arrastre de una galaxia elíptica gigante.

La nueva colección de imágenes de WFI incluye largas exposiciones utilizando los filtros rojo, verde y azul así como otros filtros especialmente diseñados para aislar la luz que emiten el hidrógeno y el oxígeno. Este último nos ayuda a localizar los ya conocidos eventos de chorros estudiados en el rango óptico que rodean a Centaurus A, que apenas eran visibles en una imagen previa obtenida por el WFI.

Extendiéndose desde la galaxia hacia la esquina superior izquierda de la imagen, podemos ver dos grupos de filamentos rojizos, toscamente alineados con los enormes chorros que destacan en las imágenes obtenidas en el rango de ondas de radio. Ambos conjuntos de filamentos son guarderías estelares, contienen estrellas calientes jóvenes [2]. Por encima, en el lado izquierdo de la banda de polvo, encontramos los filamentos internos, que se encuentran a unos 30.000 años luz del núcleo. Más alejados, a unos 65.000 años luz del núcleo de la galaxia y más cerca de la esquina superior izquierda de la imagen, pueden verse los filamentos externos. Probablemente haya también un rastro mucho más débil de un chorro contrario extendiéndose hacia la parte inferior derecha.

Centaurus A ha sido ampliamente estudiado en un rango de longitudes de onda que va desde las ondas de radio hasta los rayos gamma. En particular, las observaciones en ondas de radio y rayos X, han sido cruciales para estudiar las interacciones entre la energía que expulsa el agujero negro supermasivo central y sus alrededores. Los estudios sobre Centaurus A con ALMA no han hecho más que empezar.

Muchas de las observaciones de Centaurus A utilizadas para hacer esta imagen se obtuvieron para determinar si era posible utilizar sondeos llevados a cabo desde tierra con el fin de detectar y estudiar estrellas variables en galaxias como Centaurus A, que se encuentra fuera del grupo local. Se han descubierto más de 200 nuevas estrellas variables en Centaurus A.

Notas

[1] El primer astrónomo en documentar esta galaxia fue el británico James Dunlop, desde el Observatorio de Parramatta, en Australia, en agosto de 1826. Esta galaxia es comúnmente denominada Centaurus A porque era la mayor fuente de ondas de radio descubierta en la constelación de Centaurus (en los años 50 del siglo pasado).

[2] El origen de ambos filamentos no está muy claro y los astrónomos aún discuten sobre si son el resultado de la ionización producida por la radiación desprendida del núcleo o si, en cambio, se debe a los choques que tuvieron lugar en las aglomeraciones de gas.


Enlace original: ESO.