Despejando la niebla cósmica: La galaxia más distante medida hasta ahora

Galaxias durante la era de la reionización en el universo primigenio. Crédito: M. Alvarez (http://www.cita.utoronto.ca/~malvarez), R. Kaehler y T. Abel

Un equipo de astrónomos europeos, empleando el Very Large Telescope de ESO en el norte de Chile, ha medido la distancia a la galaxia más remota que se conoce. A través de un cuidadoso análisis del débil brillo de la galaxia, descubrieron que la luz observada fue emitida cuando el Universo tenía sólo 600 millones de años de edad (conocido como corrimiento al rojo de 8,6). Estas son las primeras observaciones confirmadas de una galaxia cuya luz está despejando la opaca niebla de hidrógeno que llenaba el cosmos en esa época primitiva. Los resultados aparecen en la edición del 21 de Octubre de la revista Nature.

“Empleando el Very Large Telescope de ESO hemos confirmado que una galaxia detectada previamente a través del Hubble, es el objeto más remoto identificado hasta ahora en el Universo” [1], dice Matt Lehnert (Observatorio de París), autor principal del artículo que da cuenta de los resultados. “El poder del VLT y su espectrógrafo SINFONI nos permitieron medir la distancia hacia esta muy tenue galaxia y descubrimos que la estamos observando cuando el Universo tenía menos de 600 millones de años de edad”.

Estudiar estas primeras galaxias es extremadamente difícil.  Cuando nos llega hasta la Tierra su luz, que inicialmente fue  brillante, se ven muy tenues y pequeñas. Esta débil luz se sitúa principalmente en la parte infrarroja del espectro porque su longitud de onda se ha estirado producto de la expansión del Universo, un efecto conocido como corrimiento al rojo.  Para hacer las cosas aún más difíciles, en esta temprana época -menos de mil millones de años después del Big Bang- el Universo no era completamente trasparente y gran parte de él estaba lleno de una niebla de hidrógeno que absorbía la intensa luz ultravioleta proveniente de las galaxias jóvenes. El período durante el cual la niebla aún estaba siendo despejada por esta luz ultravioleta es conocido como la era de reionización [2]. A pesar de estos desafíos, la nueva Cámara 3 Wide Field del Telescopio Espacial Hubble de NASA/ESA descubrió en 2009 varios potentes objetos candidatos [3] que podían ser galaxias brillando en la era de la reionización. Confirmar las distancias de objetos tan tenues y remotos es un enorme desafío y sólo puede lograrse en forma fidedigna usando espectrógrafos en telescopios muy grandes basados en tierra [4], capaces de medir el corrimiento al rojo de la luz de la galaxia.

Matt Lehnert continúa la historia: “Después del anuncio del Hubble sobre las galaxias candidatas hicimos un rápido cálculo y estábamos entusiasmados al darnos cuenta que el inmenso poder de recolección de luz del VLT, combinado con la sensibilidad del instrumento espectroscópico SINFONI, además de un muy largo tiempo de exposición, podrían permitirnos detectar el brillo extremadamente débil de una de estas galaxias remotas y medir su distancia”.

Por petición especial al Director General de ESO, los científicos obtuvieron tiempo de telescopio en el VLT y observaron una galaxia candidata llamada  UDFy-38135539 [5] durante 16 horas. Después de dos meses de análisis muy cuidadoso y revisión de los resultados, el equipo concluyó que claramente habían detectado emisiones muy débiles de hidrógeno con un corrimiento al rojo de 8,6, lo que convierte a esta galaxia en el objeto más distante confirmado hasta ahora mediante espectroscopía. Un corrimiento al rojo de 8,6 corresponde a una galaxia vista tan sólo 600 millones de años después del Big Bang.

La co-autora Nicole Nesvadba (Instituto de Astrofísica Espacial) resume este trabajo: “Medir el corrimiento al rojo de la galaxia más distante encontrada hasta el momento es muy apasionante en sí, pero las implicancias astrofísicas de esta detección son aún más importantes. Esta es la primera vez que sabemos con seguridad que estamos mirando una de las galaxias que despejó la niebla que llenaba al Universo temprano”.

Una de las cosas sorpresivas sobre este descubrimiento es que el brillo de UDFy-38135539 no parece ser suficientemente fuerte por sí solo para despejar la niebla de hidrógeno. “Tiene que haber otras galaxias, probablemente más débiles y menos masivas, compañeras cercanas de UDFy-38135539, que también ayudaron a hacer trasparente el espacio alrededor de la galaxia. Sin esta ayuda adicional, la luz de la galaxia, no importa cuan brillante sea, habría quedado atrapada en la niebla de hidrógeno circundante y nosotros no habríamos sido capaces de detectarla”, explica el co-autor Mark Swinbank (Universidad de Durham).

El co-autor Jean-Gabriel Cuby (Laboratorio de Astrofísica de Marsella) comenta: “Estudiar la era de reionización y formación de galaxias es empujar al límite la capacidad de los telescopios e instrumentos actuales, pero éste es justamente el tipo de ciencia que será rutina cuando el European Extremely Large Telescope de ESO – que será el telescopio óptico e infrarrojo cercano más grande  del mundo – esté operativo”.

Notas

[1] Un resultado previo de ESO (ver comunicado de ESO de 2005) informó de un objeto a una distancia mayor (un corrimiento al rojo de 10). Sin embargo, el trabajo adicional no logró encontrar un objeto de brillo similar en esta posición, y observaciones más recientes con el Telescopio Espacial NASA/Hubble no han sido concluyentes. La identificación de este objeto como una galaxia a un muy alto corrimiento al rojo ya no es considerado válida por la mayoría de los astrónomos.

[2]Cuando el Universo se enfrió después del Big Bang, hace unos 13.700 millones de años atrás, electrones y protones se combinaron para formar gas de hidrógeno. Este gas frío y oscuro era el componente principal del Universo durante la llamada Edad Oscura, cuando no había objetos luminosos. Esta fase eventualmente concluyó cuando las primeras estrellas se formaron y su intensa radiación ultravioleta hizo que poco a poco la niebla del hidrógeno se volviera trasparente otra vez al dividirse los átomos de hidrógeno nuevamente en electrones y protones, un proceso conocido como reionización. Esta época en la historia temprana del Universo duró entre 150 millones y 800 millones de años después del Big Bang. Comprender cómo ocurrió la reionización y cómo se formaron y evolucionaron las primeras galaxias es uno de los mayores desafíos de la cosmología moderna.

[3] Estas observaciones del Hubble están descritas en: http://www.spacetelescope.org/news/heic1001/

[4] Los astrónomos tienen dos modos principales de encontrar y medir las distancias de las galaxias más tempranas. Pueden tomar fotografías muy profundas a través de filtros de distintos colores y medir el brillo de muchos objetos a diferentes longitudes de onda. Luego comparan esto con lo que se espera de galaxias de distintos tipos a diferentes momentos en la historia del Universo. Esta es la única forma actualmente disponible para descubrir estas galaxias muy débiles y es la técnica usada por el equipo del Hubble. Pero esta técnica no siempre es de fiar. Por ejemplo, lo que puede parecer una galaxia  tenue y muy distante puede a veces ser una prosaica estrella fría en nuestra Vía Láctea.

Una vez que los objetos candidatos son encontrados, se pueden obtener estimaciones más confiables de la distancia (medidas como corrimiento al rojo), separando la luz de un objeto candidato en sus colores componentes y buscando las señales reveladoras de emisión de hidrógeno u otros elementos en la galaxia. Esta aproximación espectroscópica es la única forma por la cual los astrónomos pueden obtener las medidas de distancia más confiables y precisas.

[5] El extraño nombre indica que fue encontrada en el área de búsqueda del Ultra Deep Field (Campo Ultra Profundo) y el número da su localización precisa en el cielo.

Información adicional

Esta investigación fue presentada en un artículo, Confirmación espectroscópica de una galaxia en corrimiento al rojo z=8.6, Lehnert y otros, por aparecer en Nature el 21 de Octubre de 2010.

El equipo está compuesto por M. D. Lehnert (Observatorio de París – Laboratorio GEPI / CNRS-INSU / Universidad París Diderot, Francia), N. P. H. Nesvadba (Instituto de Astrofísica Espacial / CNRS-INSU / Universidad París-Sud, Francia), J.-G.Cuby (Laboratorio de Astrofísica de Marsella / CNRS-INSU / Universidad de Provence, Francia), A. M. Swinbank (Universidad de Durham, Reino Unido), S. Morris (Universidad de Durham, Reino Unido), B. Clément (Laboratorio de Astrofísica de Marsella / CNRS-INSU / Universidad de Provence, Francia), C. J. Evans (Astronomy Technology Centre, Edimburgo, Reino Unido), M. N. Bremer (Universidad de Bristol, Reino Unido) y S. Basa (Laboratorio de Astrofísica de Marsella / CNRS-INSU / Universidad de Provence, Francia).

Enlaces

• Artículo de la revista Nature
• Información adicional sobre reionización: http://es.wikipedia.org/wiki/Reionización
• Las simulaciones de Marcelo Alvarez de reionización: http://www.cita.utoronto.ca/~malvarez/index.shtml

Nota de prensa publicada en el portal del Observatorio Europeo Austral (ESO)