Primera detección de galaxias oscuras en el universo temprano

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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.

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.

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.


Cred. ESO