Autor: Nicolás Silva

ALMA revela misterio de galaxias masivas apagadas del Universo primitivo

Publicado el | por Nicolás Silva

Las galaxias masivas formadas durante la infancia del Universo, en los 3.000 millones de años siguientes al Big Bang, debían contener grandes cantidades de gas de hidrógeno frío, un combustible necesario para la formación de estrellas. Sin embargo, un equipo de científicos que observó el Universo primitivo con el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) y el telescopio espacial Hubble descubrió algo extraño: cerca de una docena de galaxias masivas que agotaron todo su combustible. Los resultados de la investigación se publicaron hoy en la revista Nature.

Las seis galaxias observadas, detectadas inicialmente en el marco del estudio REsolving QUIEscent Magnified galaxies at high redshift (REQUIEM, ‘Resolución de galaxias inertes magnificadas en alto desplazamiento al rojo’), se conocen como galaxias apagadas, puesto que ya no forman estrellas, y no corresponden a lo que los astrónomos esperaban ver en el Universo primitivo.

“Las galaxias más masivas del Universo eran muy prolíficas, y produjeron sus estrellas en un lapso considerablemente corto. El gas, que sirve de combustible para la formación estelar, debería abundar en esta etapa temprana del Universo”, explica Kate Whitaker, autora principal de la investigación y profesora asistente de astronomía de la Universidad de Massachusetts, en Amherst. “Hasta ahora creíamos que estas galaxias apagadas habían interrumpido su actividad algunos miles de millones de años después del Big Bang. En nuestra investigación llegamos a la conclusión de que las galaxias de esa época no llegaron a detener el motor, sino que siguieron avanzando con el tanque vacío”.

Para entender mejor cómo las galaxias se formaron y se extinguieron, los científicos usaron el telescopio Hubble, que reveló detalles sobre las estrellas que estas contenían. En observaciones realizadas en forma paralela con ALMA se estudió la emisión del continuo de las galaxias (un marcador del polvo) en longitudes de onda milimétricas, lo que permitió al equipo calcular la cantidad de gas presente en ellas. La combinación de los datos de ambos telescopios respondió a un plan cuidadoso, puesto que el objetivo del estudio REQUIEM es usar lentes gravitacionales intensos como telescopios naturales a fin de observar galaxias apagadas con una mayor resolución espacial. De esa forma, los científicos pudieron observar el interior de las galaxias, algo que suele ser imposible cuando no hay actividad de formación estelar.

“Las galaxias que dejan de producir estrellas rápidamente se vuelven muy tenues, por lo que es muy difícil o incluso imposible observarlas en detalle con un solo tipo de telescopio. El estudio REQUIEM soluciona este problema observando galaxias expuestas a lentes gravitacionales, es decir, cuya luz se curva y se amplifica al rozar otras galaxias mucho más cercanas a la Vía Láctea”, explica Justin Spilker, coautor de la investigación e investigador de posdoctorado del programa NASA Hubble en la Universidad de Texas, en Austin. “De esa forma, el lente gravitacional, sumado a la capacidad de resolución y la sensibilidad del telescopio Hubble y de ALMA, funciona como un telescopio natural que nos permite ver esas galaxias moribundas mucho más grandes y brillantes de lo que realmente son, y entender qué pasa realmente allí”.

Las nuevas observaciones revelaron que la interrupción de la formación estelar en las seis galaxias estudiadas no se debe a una ineficiencia súbita en el proceso de conversión del gas en estrellas, sino que es el resultado del agotamiento o el despojo del gas presente en las galaxias. “Todavía no sabemos por qué sucede eso. Dos explicaciones posibles serían la interrupción del suministro de gas primario que alimenta a la galaxia o un agujero negro supermasivo que le inyecta energía y, de esa forma, impide que el gas se enfríe”, comenta Christina Williams, astrónoma de la Universidad de Arizona y coautora del estudio. ”Básicamente, esto significa que las galaxias son incapaces de volver a llenar el tanque y, por consiguiente, de volver a arrancar el motor de la fábrica de estrellas”.

El estudio también fue pionero en la medición de galaxias masivas del Universo primitivo y aportó información sintetizada que podrá utilizarse en los futuros estudios sobre esa época del Universo durante muchos años más. “Estas son las primeras mediciones del continuo de polvo frío de galaxias apagadas distantes, y las primeras fuera del Universo local”, celebra Kate Whitaker, y agrega que el nuevo estudio ha permitido a los científicos calcular cuánto gas contiene cada galaxia de estas. “Pudimos estudiar el combustible de los procesos de formación estelar en estas antiguas galaxias masivas con la precisión suficiente para obtener las primeras lecturas del estado del tanque de combustible, lo cual nos proporcionó información fundamental que no teníamos sobre las propiedades del gas frío contenido en estas galaxias”.

Si bien los científicos ahora saben que estas galaxias tienen carecen de combustible y algo les impide volver a llenar el tanque para volver a fabricar estrellas, este es apenas el primero de una serie de estudios necesarios para entender qué puso en marcha (o no) las primeras galaxias masivas. “Nos queda mucho por aprender para poder entender por qué las galaxias más masivas se formaron en una época tan joven del Universo y por qué dejaron de producir estrellas, cuando tenían tanto gas frío a su disposición”, señala Kate Whitaker. “El simple hecho de que estas bestias cósmicas hayan dado nacimiento a 100.000 millones de estrellas en un lapso de unos 1.000 millones de años y luego se hayan apagado repentinamente es un misterio que nos encantaría resolver, y el estudio REQUIEM nos dio la primera pista”.

Información adicional

 

“Los depósitos de gas agotados impulsan la extinción masiva de galaxias en el universo temprano” [Exhausted gas reservoirs drive massive galaxy quenching in the early universe] por K. Whitaker et al., publicado el 23 de septiembre de 2021 en la revista Nature, , preimpresión: [https://public.nrao.edu/wp-content/uploads/2021/09/Whitaker_Galaxies_Nature_Preprint.pdf]

STScI ha publicado un comunicado de prensa complementario en: https://hubblesite.org/contents/news-releases/2021/news-2021-039

El comunicado de prensa original fue publicado por el Observatorio Radioastronómico Nacional de los Estados Unidos (NRAO), socio de ALMA en nombre de América del Norte.

El Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), una instalación astronómica internacional, es una asociación entre el Observatorio Europeo Austral (ESO), la Fundación Nacional de Ciencia de EE. UU. (NSF) y los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales de Japón (NINS) en cooperación con la República de Chile. ALMA es financiado por ESO en representación de sus estados miembros, por NSF en cooperación con el Consejo Nacional de Investigaciones de Canadá (NRC) y el Ministerio de Ciencia y Tecnología de Taiwán (MOST), y por NINS en cooperación con la Academia Sínica (AS) de Taiwán y el Instituto de Ciencias Astronómicas y Espaciales de Corea del Sur (KASI).

La construcción y las operaciones de ALMA son conducidas por ESO en nombre de sus estados miembros; por el Observatorio Radioastronómico Nacional (NRAO), gestionado por Associated Universities, Inc. (AUI), en representación de Norteamérica; y por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) en nombre de Asia del Este. El Joint ALMA Observatory (JAO) tiene a su cargo la dirección general y la gestión de la construcción, así como la puesta en marcha y las operaciones de ALMA.

Imágenes

Imagen compuesta del cúmulo de galaxias MACSJ 0138 con datos del Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) y del telescopio espacial Hubble de la NASA. La sección ampliada muestra un punto rojo anaranjado brillante que representa el polvo frío observado en frecuencias de radio usando ALMA. El polvo frío ayuda a los científicos a calcular indirectamente la cantidad de gas de hidrógeno (necesario par la formación de estrellas) presente en las galaxias del cúmulo. Créditos: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/S. Dagnello (NRAO), STScI, K. Whitaker et al. AUI NRAO Chile

 

Imagen compuesta del cúmulo de galaxias MACSJ 0138 con datos del Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) y del telescopio espacial Hubble de la NASA obtenidos en el marco del estudio REQUIEM. Las imágenes de las galaxias masivas del Universo primitivo revelaron que estas carecen del gas de hidrógeno frío necesario para producir estrellas. Créditos: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/S. Dagnello (NRAO), STScI, K. Whitaker et al.

Contactos

ALMA revela entornos de nacimiento de planetas orgánicos ricos en carbono

Publicado el | por Nicolás Silva

Una colaboración internacional de científicos utilizó el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) para completar el mapeo de composición química más extenso que exista de los discos protoplanetarios alrededor de cinco estrellas jóvenes cercanas en alta resolución. De esta manera, generaron imágenes que capturan la composición molecular asociada a nacimientos planetarios, y una hoja de ruta para futuros estudios sobre la composición de las regiones de formación de planetas y cometas. La nueva investigación revela pistas sobre el rol de las moléculas en la formación del sistema planetario y si estos jóvenes sistemas planetarios en formación tienen lo que se necesita para albergar vida. Los resultados del programa, apropiadamente llamado MAPS (por su sigla en inglés), o Moléculas con ALMA en escalas de formación planetaria, aparecerán en una próxima edición especial de 20 artículos de la serie de suplementos de The Astrophysical Journal.

Los planetas se forman en discos de gas y polvo, también llamados discos protoplanetarios, que rodean a estrellas jóvenes. La composición química de estos discos, o las moléculas contenidas en ellos, pueden tener un impacto en los planetas mismos, incluido cómo y dónde ocurre su formación, su composición química y si tienen la composición orgánica necesaria para sustentar vida. MAPS observó específicamente los discos protoplanetarios que rodean a las jóvenes estrellas IM Lup, GM Aur, AS 209, HD 163296 y MWC 480, donde ya se ha detectado evidencia de formación planetaria en curso. El proyecto condujo a múltiples descubrimientos interesantes, incluido un vínculo entre el polvo y las subestructuras químicas y la presencia de grandes depósitos de moléculas orgánicas en las regiones internas de los discos.

«Con ALMA pudimos ver cómo se distribuyen las moléculas donde los exoplanetas se están actualmente creando», dijo Karin Öberg, astrónoma del Centro de Astrofísica | Harvard & Smithsonian (CfA) e investigadora principal de MAPS. «Una de las cosas realmente emocionantes que vimos es que los discos de formación planetariaalrededor de estas cinco estrellas son fábricas de un tipo especial de moléculas orgánicas, los llamados nitrilos, que están implicados en los orígenes de la vida aquí en la Tierra».

A lo largo del proyecto se observaron moléculas orgánicas simples como HCN, C2H y H2CO con un detalle sin precedentes, gracias a la sensibilidad y el poder de resolución de los receptores de Bandas 3 y 6 de ALMA. «En particular, pudimos observar la cantidad de pequeñas moléculas orgánicas en las regiones internas de los discos, donde los planetas rocosos probablemente se están ensamblando», dijo Viviana V. Guzmán, astrónoma del Instituto de Astrofísica de la Pontificia Universidad Católica de Chile, autora principal en MAPS VI y co-investigadoraprincipal de MAPS. «Estamos descubriendo que nuestro propio Sistema Solar no es particularmente único, y que otros sistemas planetarios alrededor de otras estrellas también tienen suficientes ingredientes para formar los componentes básicos de la vida».

Los científicos también observaron moléculas orgánicas más complejas como HC3N, CH3CN y c-C3H2, en particular las que contienen carbono y, por lo tanto, es más probable que actúen como materia prima de moléculas prebióticas más grandes. Aunque estas moléculas se han detectado antes en discos protoplanetarios, MAPS es el primer estudio sistemático en múltiples discos con una resolución y sensibilidad espacial tan alta, y el primer estudio para encontrar las moléculas a escalas pequeñas y en cantidades tan significativas. «Encontramos más moléculas orgánicas grandes de lo esperado, un factor de 10 a 100 más, ubicadas en los discos internos a escalas del Sistema Solar, y su química parece similar a la de los cometas del Sistema Solar», dijo John Ilee, astrónomo de la Universidad de Leeds y autor principal de MAPS IX. “La presencia de estas grandes moléculas orgánicas es significativa porque son los trampolines entre las moléculas más simples basadas en carbono, como el monóxido de carbono, que se encuentra en abundancia en el espacio, y las moléculas más complejas que se requieren para crear y mantener la vida.»

Sin embargo, las moléculas no se distribuyen uniformemente a través de los discos. Como se evidencia en MAPS III y IV, si bien las composiciones generales de los discos parecen ser similares al Sistema Solar, un acercamiento a alta resolución revela cierta diversidad en la composición que podría resultar en diferencias de planeta a planeta. «El gas molecular en los discos protoplanetarios se encuentra a menudo en conjuntos de anillos y huecos distintos», dijo Charles Law, astrónomo del CfA y autor principal de MAPS III y IV. «Pero el mismo disco observado en diferentes líneas de emisión molecular a menudo se ve completamente diferente, y cada disco tiene múltiples caras moleculares. Esto también significa que los planetas en diferentes discos o incluso en el mismo disco pero en diferentes ubicaciones pueden formarse en entornos químicos radicalmente diferentes». Por lo tanto, algunos planetas se forman con las herramientas necesarias para construir y mantener la vida, mientras que otros planetas cercanos pueden no hacerlo.

Uno de esos entornos radicalmente diferentes ocurre en el espacio que rodea planetas similares a Júpiter, donde los científicos encontraron que el gas es pobre en carbono, oxígeno y elementos más pesados, aunque ricos en hidrocarburos, como el metano. «La química que se ve en los discos protoplanetarios debería heredarse mediante la formación de planetas», dijo Arthur Bosman, astrónomo de la Universidad de Michigan y autor principal de MAPS VII. «Nuestros hallazgos sugieren que muchos gigantes gaseosos pueden formarse con atmósferas extremadamente pobres en oxígeno (ricas en carbono), desafiando las expectativas actuales de la composición de los planetas».

En resumen, MAPS proporciona exactamente eso: un mapa para que los científicos lo sigan, conectando los puntos entre el gas y el polvo en un disco protoplanetario y los planetas que eventualmente se forman a partir de ellos para crear un sistema planetario. «La composición de un planeta es un registro de la ubicación en el disco en el que se formó», agregó Bosman. «Conectar la composición del planeta y el disco nos permite mirar su historia y nos ayuda a comprender las fuerzas que lo formaron».

Joe Pesce, astrónomo y oficial del programa ALMA en la Fundación Nacional de Ciencia de EE.UU.(NSF), señala que «la existencia de vida más allá de la Tierra es una de las preguntas fundamentales de la humanidad. Ahora sabemos que los planetas se encuentran en todas partes, y el siguiente paso es determinar si tienen las condiciones necesarias para la vida tal como la conocemos (y cuán común podría ser esa situación). El programa MAPS nos ayudará a responder mejor a estas preguntas. La búsqueda de ALMA de precursores de vida lejos de la Tierra complementa los estudios realizados en laboratorios y en lugares como respiraderos hidrotermales en la Tierra.»

Öberg agregó: «MAPS es la culminación de décadas de trabajo sobre la química de los discos formadores de planetas por parte de científicos que utilizan ALMA y sus precursores. Aunque MAPS ha examinado solo cinco discos en este momento, no teníamos idea de cuán químicamente complejos y visualmente deslumbrantes eranestos discos hasta ahora. MAPS ha respondido por primera vez preguntas que no podríamos haber imaginado hacer décadas atrás, y también nos ha presentado muchas más preguntas que responder».

Información adicional

Los artículos destacados de esta investigación son:

• «Moléculas con ALMA a escalas de formación de planetas (MAPS) I: Descripción general y aspectos destacados del programa», K. Öberg et al, ApJS, vista previa.

• «Moléculas con ALMA a escalas de formación de planetas (MAPS) III: Características de las subestructuras químicas radiales», C. Law et al, ApJS, vista previa.

• «Moléculas con ALMA a escalas de formación de planetas (MAPS). IV: Superficies de emisión y distribución vertical de moléculas», C. Law, ApJS, vista previa.

• «Moléculas con ALMA a escalas de formación de planetas (MAPS) VI: Distribución de los pequeños orgánicos HCN, C2H y H2CO», V. Guzmán et al, ApJS, vista previa.

• «Moléculas con ALMA en escalas de formación de planetas (MAPS) VII: O / H y C / H subestelar y C / O superestelar en gas que se alimenta de planetas», A. Bosman et al, ApJS, vista previa.

• «Moléculas con ALMA a escalas de formación de planetas (MAPS) IX: Distribución y propiedades de las moléculas orgánicas grandes HC3N, CH3CN y c-C3H2 «, J. Ilee et al, ApJS, vista previa.

El comunicado de prensa original fue publicado por el Observatorio Radioastronómico Nacional de los Estados Unidos (NRAO), socio de ALMA en nombre de América del Norte.

Otro comunicado de prensa que contiene información sobre otros resultados de la colaboración MAPS fue publicado por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ), un socio de ALMA en nombre de Asia Oriental.

El Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), una instalación astronómica internacional, es una asociación entre el Observatorio Europeo Austral (ESO), la Fundación Nacional de Ciencia de EE. UU. (NSF) y los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales de Japón (NINS) en cooperación con la República de Chile. ALMA es financiado por ESO en representación de sus estados miembros, por NSF en cooperación con el Consejo Nacional de Investigaciones de Canadá (NRC) y el Ministerio de Ciencia y Tecnología de Taiwán (MOST), y por NINS en cooperación con la Academia Sínica (AS) de Taiwán y el Instituto de Ciencias Astronómicas y Espaciales de Corea del Sur (KASI).

La construcción y las operaciones de ALMA son conducidas por ESO en nombre de sus estados miembros; por el Observatorio Radioastronómico Nacional (NRAO), gestionado por Associated Universities, Inc. (AUI), en representación de Norteamérica; y por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) en nombre de Asia del Este. El Joint ALMA Observatory (JAO) tiene a su cargo la dirección general y la gestión de la construcción, así como la puesta en marcha y las operaciones de ALMA.

Imágenes

Esta imagen compuesta de datos de ALMA de la joven estrella HD 163296 puesta sobre un campo estelar muestra la emisión de cianuro de hidrógeno. El proyecto MAPS se centró en el cianuro de hidrógeno y otros compuestos orgánicos e inorgánicos en los discos de formación de planetas para comprender mejor las composiciones de los planetas jóvenes y cómo éstas se vinculan con el lugar donde se forman los planetas en un disco protoplanetario. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO) / D. Berry (NRAO), K. Öberg y otros (MAPS) AUI NRAO Chile
Imagen de ALMA de la joven estrella HD 163296. La imagen muestra la emisión de cianuro de hidrógeno en azul brillante. El proyecto MAPS se centró en el cianuro de hidrógeno y otros compuestos orgánicos e inorgánicos en los discos de formación de planetas para comprender mejor las composiciones de los planetas jóvenes y cómo éstas se vinculan con el lugar donde se forman los planetas en un disco protoplanetario. Crédito: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO) / D. Berry (NRAO), K. Öberg y otros (MAPS) AUI NRAO Chile
Artist’s depiction of a protoplanetary disk with young planets forming around a star. The right-side panel zooms in to show various nitrile molecules that are accreting onto a planet. Kari Oberg

 

Contactos

Entrevista a Ed Fomalont

Publicado el | por Nicolás Silva

 

¡Hasta pronto, Ed Fomalont!

En radioastronomía, Edward B. Fomalont es un pionero de la interferometría. Ha estado involucrado en todos los principales radiointerferómetros construidos durante las últimas seis décadas. Como astrónomo, Ed redujo la incertidumbre de la velocidad de la gravedad a menos del 1%, lo que fue muy impresionante en ese momento, dada la tecnología disponible.

El personal del observatorio de ALMA tuvo la suerte y el honor de compartir con Ed como astrónomo visitante de NRAO durante la última década. Pero ahora él vuelve a Estados Unidos.

Este video es una breve conversación con Ed sobre su vida, ciencia y ALMA, pocas semanas antes de que partiera a emprender nuevos proyectos en su ya legendaria vida.