Observaciones de estallidos de rayos gamma realizadas con el VLT revelan sorprendentes componentes en las galaxias tempranas

Impresión artística de un estallido de rayos gamma brillando a través de dos jóvenes galaxias en el Universo temprano. Crédito: ESO/L. Calçada

Un equipo internacional de astrónomos ha utilizado la breve pero brillante luz de un estallido de rayos gamma como laboratorio para estudiar la composición de galaxias muy distantes. Sorprendentemente, las nuevas observaciones, hechas con el Very Large Telescope (VLT) de ESO, han descubierto dos galaxias en el Universo joven que son más ricas en elementos pesados que nuestro Sol. Las dos galaxias pueden estar en proceso de fusión. Este tipo de acontecimientos en el Universo temprano conlleva la formación de numerosas estrellas nuevas y puede ser el detonante de los estallidos de rayos gamma.

Los estallidos de rayos gamma son las explosiones más brillantes que tienen lugar en el Universo [1]. Primero, son descubiertos por observatorios en órbita que detectan el pequeño estallido inicial de rayos gamma. Una vez localizados, son estudiados de inmediato utilizando grandes telescopios basados en tierra que pueden detectar la luminiscencia visible e infrarroja que emiten los estallidos de rayos gamma en las horas y días sucesivos. Este estallido en concreto, denominado GRB 090323 [2], fue descubierto por el Telescopio Espacial Fermi de Rayos Gamma de la NASA. Muy poco tiempo después, fue captado por el detector de rayos X del satélite Swift de la NASA y por el sistema GROND del telescopio de 2,2 metros MPG/ESO en Chile (eso1049); posteriormente fue estudiado en profundidad utilizando el Very Large Telescope (VLT) de ESO, justo un día después de su explosión.

Las observaciones del VLT muestran que la luz brillante procedente de los estallidos de rayos gamma ha pasado a través de su propia galaxia anfitriona y a través de otras galaxias cercanas. Estas galaxias se observan como si estuviesen a 12 mil millones de años [3]. Es muy poco común captar galaxias tan distantes a la luz de un estallido de rayos gamma.

“Cuando estudiamos la luz de estos estallidos de rayos gamma no sabíamos lo que íbamos a encontrar. Fue una sorpresa que el gas frío de esas dos galaxias del Universo temprano mostrara una composición química tan inesperada,” explica Sandra Savaglio (Instituto Max-Planck para el estudio de la Física Extraterrestre, Garching, Alemania), autora principal del artículo que describe los nuevos resultados. “Estas galaxias tienen más elementos pesados que ninguna otra galaxia observada en el Universo temprano. No esperábamos que el Universo fuese tan maduro, tan evolucionado químicamente en un momento tan inicial de su existencia.”

Al pasar la luz del estallido de rayos gamma a través de las galaxias, el gas que estas contenían ejerció de filtro, absorbiendo parte de la luz del estallido de rayos gamma en determinadas longitudes de onda. Sin el estallido de rayos gamma estas galaxias débiles habrían permanecido invisibles. Analizando cuidadosamente las huellas dactilares de diferentes elementos químicos, los investigadores pudieron resolver la composición del gas frío contenido en esas galaxias muy distantes, averiguando en particular cuán ricas eran en elementos pesados.

Se supone que las galaxias del Universo joven deberían contener menos cantidad de elementos pesados que las galaxias actuales, como la Vía Láctea. Los elementos pesados se producen durante la vida y muerte de sucesivas generaciones de estrellas, enriqueciendo progresivamente el gas de las galaxias [4]. Los astrónomos pueden usar el enriquecimiento químico de las galaxias para determinar su edad. Pero las nuevas observaciones han revelado, sorprendentemente, que algunas galaxias ya eran ricas en elementos pesados menos de dos mil millones de años tras el Big Bang, algo impensable hasta hace poco.

El nuevo par de galaxias jóvenes descubierto debe estar formando nuevas estrellas a una velocidad tremenda, enriqueciendo el gas frío de una forma rápida e intensa. Dado que ambas galaxias se encuentran muy cerca una de la otra, pueden estar en proceso de fusión, lo que provocaría a su vez la formación de nuevas estrellas tras el choque de las nubes de gas. Estos nuevos resultados también apoyan la idea de que los estallidos de rayos gamma pueden estar asociados a una activa formación de estrellas masivas.

Esta activa y energética formación de estrellas en este tipo de galaxias debería haberse frenado en una fase temprana de la historia del Universo. Doce mil millones de años después, en el tiempo presente, los restos de estas galaxias deberían contener un gran número de remanentes estelares como agujeros negros y enanas marrones frías, formando una población típica de “galaxias muertas” difícil de detectar, sombras débiles de lo que debieron ser en su brillante juventud. Encontrar este tipo de cadáveres en nuestros días sería todo un reto.

“Fuimos muy afortunados al poder observar GRB 090323 cuando aún brillaba lo suficiente, obteniendo una información espectacularmente detallada con el VLT. Los estallidos de rayos gamma brillan durante un corto espacio de tiempo y es muy difícil obtener datos de calidad. Esperamos observar de nuevo estas galaxias en el futuro; cuando contemos con instrumentos más avanzados serán un objetivo perfecto para el E-ELT,” concluye Savaglio.

Notas

[1] Los estallidos de rayos gamma que duran más de dos segundos se denominan estallidos largos, y aquellos que tienen una duración menor se conocen como estallidos cortos. Los estallidos largos, incluyendo el de esta investigación, se asocian con explosiones de estrellas masivas jóvenes en forma de supernova en galaxias con formación estelar. Los estallidos cortos no se conocen en profundidad, pero se cree que se originan por la fusión de dos objetos compactos, tales como estrellas de neutrones.

[2] El nombre hace referencia a la fecha en la que el estallido fue descubierto, en este caso fue localizado el 23 de marzo de 2009.

[3] Las galaxias fueron observadas con un desplazamiento al rojo de 3,57, lo que significa que se ven como si estuvieran a 1.800 millones de años del Big Bang.

[4] El material producido por el Big Bang, hace 13.700 millones de años, estaba compuesto casi en su totalidad por hidrógeno y helio. Elementos más pesados, como el oxígeno, el nitrógeno y el carbono, se produjeron más tarde por reacciones termonucleares en el interior de estrellas, alimentando las reservas de gas de las galaxias tras su muerte. Por tanto, se espera que la cantidad de elementos más pesados en la mayor parte de las galaxias crezca gradualmente a medida que el Universo envejezca.

Enlaces

• Artículo científico
• Fotos del VLT

Artículo publicado en Servicio de Información y Noticias Científicas (SINC).