Burbujas cósmicas revelan las primeras estrellas

Los astrónomos detectan las primeras estrellas que “brotan” desde las edades oscuras cósmicas

5 Enero 2020

Los astrónomos han utilizado el telescopio Mayall, un programa del Laboratorio Nacional de Investigación para la Astronomía Óptica-Infrarroja de la NSF, para identificar varias burbujas superpuestas de gas de hidrógeno ionizado por las estrellas en galaxias tempranas, tan sólo 680 millones de años después del Big Bang. Esta es la evidencia directa más temprana del período en que se formaron las primeras generaciones de estrellas, comenzando a re-ionizar el gas de hidrógeno que impregnaba el Universo.

Hubo una época en el Universo temprano, conocida como “la edad oscura cósmica”, cuando las partículas elementales, formadas en el Bing Bang, se habían combinado para formar hidrógeno neutro, pero en ese entonces aún no existían estrellas ni galaxias que iluminaran el Universo. Este período comenzó menos de medio millón de años luego del Big Bang y terminó con la formación de las primeras estrellas. Si bien esta etapa en la evolución de nuestro Universo está indicada por simulaciones por computadora, la evidencia directa es escasa.

Actualmente, los astrónomos que han utilizado el generador de imágenes infrarrojas NEWFIRM instalado en el Telescopio Mayall de 4 metros en el Observatorio Nacional de Kitt Peak, del Laboratorio Nacional de Investigación para la Astronomía Óptica-Infrarroja de la NSF  (NOIRLab), han informado la obtención de imágenes de un grupo de galaxias, identificadas como EGS77 [1], que contienen estas primeras estrellas. Los resultados se dieron a conocer en una conferencia de prensa que se llevó a cabo hoy, durante la 235ª reunión de la American Astronomical Society (AAS), celebrada en Honolulu, Hawai‘i.

“El joven Universo estaba lleno de átomos de hidrógeno, que atenúan la luz ultravioleta de tal manera que bloquean nuestra visión de las galaxias tempranas”, comentó James Rhoads, en el Centro de Vuelos Espaciales Goddard de NASA en Greenbelt, Maryland, quien presentó los resultados en la conferencia de prensa de la AAS.  “EGS77 es el primer grupo de galaxias que se ha atrapado en el acto de despejar esta neblina cósmica.”

El equipo comenzó con un sondeo de imágenes diseñado para detectar galaxias con alto desplazamiento al rojo y combinó estos datos con las imágenes correspondientes captadas con el Telescopio Espacial Hubble. Esto permitió al equipo calcular lo que se denomina un desplazamiento al rojo fotométrico. En estos desplazamientos al rojo, la luz de una galaxia se desplaza completamente fuera del rango de las longitudes de onda a las que el ojo humano es sensible (el espectro visible) hacia longitudes de onda más largas (infrarrojas). Los criterios para seleccionar candidatas a galaxias distantes incluyeron una detección clara con los filtros especiales de banda estrecha infrarrojos utilizados con NEWFIRM en el telescopio Mayall de 4 metros, y una no detección completa en las bandas de filtro óptico de longitud de onda más corta, utilizadas por Hubble. 

“La luz intensa de las galaxias puede ionizar el gas de hidrógeno circundante, formando burbujas que permiten que la luz estelar viaje libremente”, dijo Vithal Tilvi, miembro del equipo e investigador de la Universidad Estatal de Arizona en Tempe. “EGS77 ha formado una enorme burbuja que permite que su luz viaje hacia la Tierra sin debilitarse.  Con el tiempo, se generaron burbujas como ésta en todas las galaxias, llenando el espacio intergaláctico, despejando el camino para que la luz viajara a través del Universo.”

EGS77 fue descubierto como parte del sondeo Cosmic Deep and Wide Narrowband (Cosmic DAWN), en el cual Rhoads es investigador principal. El equipo obtuvo imágenes de una zona de la constelación de Boötes utilizando un filtro fabricado a medida en el instrumento Extremely Wide-Field InfraRed imager (NEWFIRM) del Observatorio Nacional de Astronomía Óptica. Ron Probst, miembro del equipo DAWN que colaboró en el desarrollo de NEWFIRM, agrega: “Estos resultados demuestran la importancia de mantener instrumentos potentes en nuestros observatorios nacionales, que puedan adaptarse de manera flexible para responder a nuevas interrogantes científicas, que tal vez no se consideraron cuando el instrumento se construyó originalmente”.

Una vez que fueron identificadas, pudieron confirmarse las distancias y, por consiguiente, las edades de estas galaxias, con espectros tomados con el espectrógrafo MOSFIRE del telescopio Keck I, en el Observatorio W.M. Keck en Maunakea, Hawai‘i.  Las tres galaxias muestran fuertes líneas de emisión de hidrógeno Lyman-alfa en un desplazamiento al rojo (z = 7.7), lo cual significa que las estamos viendo a unos 680 millones de años después del Big Bang.  El tamaño de la burbuja ionizada alrededor de cada galaxia se obtuvo con modelos por computador. Estas burbujas se superponen espacialmente, pero son lo suficientemente grandes (2,2 millones de años luz, aproximadamente) para que los fotones Lyman-alfa se desplacen al rojo antes de llegar al límite de la burbuja y, por lo tanto, puedan escapar intactos, lo cual permite su detección por parte de los astrónomos.

“Los astrónomos esperaban que sería difícil encontrar burbujas de re-ionización de esta época de la historia cósmica, dijo Sangeeta Malhotra, una colaboradora de NASA GSFC “por lo que la confirmación de esta transición es relevante”. Este “amanecer cósmico”, el estado intermedio entre un Universo neutro y uno ionizado, se había previsto. Estos descubrimientos son posibles gracias a la disponibilidad de poderosos instrumentos astronómicos que pueden sondear el Universo de un modo que las generaciones pasadas de astrónomos no podían imaginar.  

Notas

[1] EGS, sigla de Extended Groth Strip, es una zona cuya imagen fue obtenida por HST en 2005, y corresponde a una franja estrecha del cielo del ancho de un dedo con el brazo extendido. Existen, al menos, 50.000 galaxias conocidas dentro de la franja.

Más Información

Este trabajo de investigación será presentado en un artículo científico en XTZ, que actualmente se encuentra en proceso de aceptación.

El equipo de investigación estuvo formado por:

V. Tilvi, School of Earth and Space Exploration, Arizona State University, Tempe, AZ; S. Malhotra, Astrophysics Science Division, Goddard Space Flight Center, Greenbelt, MD; J. E. Rhoads,Astrophysics Science Division, Goddard Space Flight Center, Greenbelt; A. Coughlin, Chandler-Gilbert Community College, Chandler, AZ; Z. Zheng, CAS Key Laboratory for Research in Galaxies and Cosmology, Shanghai Astronomical Observatory, Shangha, People’s Republic of China; S. L. Finkelstein,Department of Astronomy, University of Texas at Austin, Austin, TX; S. Veilleux, Department of Astronomy and Joint Space-Science Institute, University of Maryland, College Park, MD; B. Mobasher, Department of Physics and Astronomy, University of California, Riverside, CA; J. Wang, CAS Key Laboratory for Research in Galaxies and Cosmology, Department of Astronomy, University of Science and Technology of China, Hefei, Anhui, People’s Republic of China; Rob Probst, NOAO, 950 N. Cherry Avenue, Tucson, AZ 85719.

NOIRLab de NSF (Laboratorio Nacional de Investigación en Astronomía Óptica-Infrarroja de NSF), el centro de EE. UU. para la astronomía óptica-infrarroja en tierra, opera el Observatorio internacional Gemini (una instalación de NSF, NRC–Canada, ANID–Chile, MCTIC–Brasil, MINCyT–Argentina y KASI – República de Corea), el Observatorio Nacional Kitt Peak (KPNO), el Observatorio Interamericano Cerro Tololo (CTIO), el Centro de Datos para la Comunidad Científica (CSDC) y el Observatorio Vera C. Rubin (en cooperación con SLAC National Accelerator Laboratory del DOE). Está administrado por la Asociación de Universidades para la Investigación en Astronomía (AURA) en virtud de un acuerdo de cooperación con NSF y tiene su sede en Tucson, Arizona. La comunidad astronómica tiene el honor de tener la oportunidad de realizar investigaciones astronómicas en Iolkam Du’ag (Kitt Peak) en Arizona, en Maunakea, en Hawai, y en Cerro Tololo y Cerro Pachón en Chile. Reconocemos y apreciamos el importante rol cultural y la veneración que estos sitios tienen para la Nación Tohono O’odham, para la comunidad nativa de Hawai y para las comunidades locales en Chile, respectivamente.

Contactos

Peter Michaud
Laboratorio Nacional de Investigación para la Astronomía Óptica-Infrarroja de la NSF
Hilo, HI, USA
Tel: +1 808-974-2510
Cel: +1 808-936-6643
Correo electrónico: pmichaud@gemini.edu

Vithal Tilui
Arizona State University
Tempe, AZ, USA
Correo electrónico: titui@asu.edu

James Rhoads
NASA Goddard Space Flight Center
Greenbelt, MD, USA
Correo electrónico: james.e.rhoads@nasa.gov

Peter Michaud
NSF’s National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory
Hilo, HI, USA
Tel: +1 808-974-2510
Cel: +1 808-936-6643
Correo electrónico: pmichaud@gemini.edu

Vithal Tilvi
Arizona State University
Tempe, AZ, USA
Correo electrónico: titui@asu.edu

James Rhoads
NASA Goddard Space Flight Center
Greenbelt, MD, USA
Correo electrónico: james.e.rhoads@nasa.gov

Esta es una traducción del Comunicado de Prensa de NOIRLab noirlab2001.