Crédito de imagen: ESO
Un equipo de astrónomos con sede en Hawai descubrió una galaxia distante a 12.8 mil millones de años luz de distancia que nos muestra cómo era el Universo cuando tenía solo 900 millones de años. Encontraron la galaxia usando una cámara especial instalada en el telescopio Canadá-Francia-Hawái que busca objetos distantes en una frecuencia de luz muy específica. Al descubrir esta galaxia, ubicada en la constelación de Cetus, cerca de la estrella Mira, el equipo ha desarrollado una nueva metodología para descubrir objetos distantes que deberían ayudar a los futuros observadores a mirar aún más al pasado.
Con telescopios e instrumentos mejorados, se han hecho posibles observaciones de galaxias extremadamente remotas y débiles que hasta hace poco eran los sueños de los astrónomos.
Uno de esos objetos fue encontrado por un equipo de astrónomos [2] con una cámara de campo amplio instalada en el telescopio Canadá-Francia-Hawái en Mauna Kea (Hawái, EE. UU.) Durante una búsqueda de galaxias extremadamente distantes. Designado "z6VDF J022803-041618", se detectó debido a su color inusual, siendo visible solo en imágenes obtenidas a través de un filtro óptico especial que aísla la luz en una banda estrecha de infrarrojo cercano.
Un espectro de seguimiento de este objeto con el instrumento multimodo FORS2 en el Very Large Telescope (VLT) de ESO confirmó que es una galaxia muy distante (el desplazamiento al rojo es 6.17 [3]). Se ve como era cuando el Universo tenía solo unos 900 millones de años.
z6VDF J022803-041618 es una de las galaxias más distantes para las que se han obtenido espectros hasta ahora. Curiosamente, se descubrió debido a la luz emitida por sus estrellas masivas y no, como se esperaba originalmente, por la emisión de hidrógeno gaseoso.
Una breve historia del Universo temprano
La mayoría de los científicos están de acuerdo en que el Universo emanaba de un estado inicial caliente y extremadamente denso en un Big Bang. Las últimas observaciones indican que este evento crucial tuvo lugar hace unos 13,700 millones de años.
Durante los primeros minutos, se produjeron enormes cantidades de núcleos de hidrógeno y helio con protones y neutrones. También había muchos electrones libres y durante la siguiente época, los numerosos fotones se dispersaron de estos y de los núcleos atómicos. En esta etapa, el universo era completamente opaco.
Después de unos 100,000 años, el Universo se había enfriado a unos pocos miles de grados y los núcleos y electrones ahora se combinaron para formar átomos. Los fotones ya no se dispersaron de estos y el Universo de repente se volvió transparente. Los cosmólogos se refieren a este momento como la "época de recombinación". La radiación de fondo de microondas que ahora observamos desde todas las direcciones representa el estado de gran uniformidad en el Universo en esa época distante.
En la siguiente fase, los átomos primitivos, más del 99% de los cuales eran de hidrógeno y helio, se unieron y comenzaron a formar enormes nubes de las que más tarde surgieron las estrellas y galaxias. La primera generación de estrellas y, algo más tarde, las primeras galaxias y cuásares [4], produjeron radiación ultravioleta intensiva. Sin embargo, esa radiación no viajó muy lejos, a pesar del hecho de que el Universo se había vuelto transparente hace mucho tiempo. Esto se debe a que los fotones ultravioleta (longitud de onda corta) serían absorbidos inmediatamente por los átomos de hidrógeno, "eliminando" electrones de esos átomos, mientras que los fotones de longitud de onda más larga podrían viajar mucho más lejos. El gas intergaláctico volvió a ionizarse en esferas de crecimiento constante alrededor de las fuentes de ionización.
En algún momento, estas esferas se habían vuelto tan grandes que se superponían por completo; esto se conoce como la "época de reionización". Hasta entonces, la radiación ultravioleta era absorbida por los átomos, pero el Universo ahora también se volvió transparente a esta radiación. Antes, la luz ultravioleta de esas primeras estrellas y galaxias no se podía ver a grandes distancias, pero ahora el Universo de repente parecía estar lleno de objetos brillantes. Es por esta razón que el intervalo de tiempo entre las épocas de "recombinación" y "reionización" se denomina "Edad Oscura".
¿Cuándo fue el final de la "Edad Media"?
La época exacta de la reionización es un tema de debate activo entre los astrónomos, pero los resultados recientes de las observaciones terrestres y espaciales indican que la "Edad Oscura" duró unos cientos de millones de años. Varios programas de investigación están en marcha que intentan determinar mejor cuándo ocurrieron estos primeros eventos. Para esto, es necesario encontrar y estudiar en detalle los objetos más antiguos y, por lo tanto, más distantes del Universo, y este es un esfuerzo de observación muy exigente.
La luz se atenúa por el cuadrado de la distancia y cuanto más miramos en el espacio para observar un objeto, y por lo tanto, más atrás en el tiempo lo vemos, más débil se ve. Al mismo tiempo, su luz tenue se desplaza hacia la región roja del espectro debido a la expansión del Universo: cuanto mayor es la distancia, mayor es el desplazamiento al rojo observado [3].
La línea de emisión Lyman-alpha
Con los telescopios terrestres, los límites de detección más débiles se logran mediante observaciones en la parte visible del espectro. Por lo tanto, la detección de objetos muy distantes requiere observaciones de firmas espectrales ultravioletas que se han desplazado hacia el rojo en la región visible. Normalmente, los astrónomos utilizan para esto la línea de emisión espectral Lyman-alpha desplazada al rojo con una longitud de onda en reposo de 121,6 nm; corresponde a los fotones emitidos por los átomos de hidrógeno cuando cambian de un estado excitado a su estado fundamental.
Por lo tanto, una forma obvia de buscar las galaxias más distantes es buscar la emisión de Lyman-alfa en las longitudes de onda más rojas (más largas) posibles. Cuanto más larga es la longitud de onda de la línea Lyman-alfa observada, mayor es el desplazamiento al rojo y la distancia, y cuanto antes es la época en que vemos la galaxia y más nos acercamos al momento que marcó el final de la "Edad Oscura ".
Los detectores CCD utilizados en instrumentos astronómicos (así como en cámaras digitales comerciales) son sensibles a la luz de longitudes de onda de hasta aproximadamente 1000 nm (1 m), es decir, en la región espectral del infrarrojo cercano, más allá de la luz más roja que puede ser percibido por el ojo humano a aproximadamente 700-750 nm.
El brillante cielo nocturno de infrarrojo cercano
Sin embargo, hay otro problema para este tipo de trabajo. La búsqueda de una débil emisión de Lyman-alfa de galaxias distantes se complica por el hecho de que la atmósfera terrestre, a través de la cual deben mirar todos los telescopios terrestres, también emite luz. Esto es particularmente cierto en la parte roja e infrarroja cercana del espectro donde se originan cientos de líneas de emisión discretas de la molécula de hidroxilo (el radical OH) que está presente en la atmósfera terrestre superior a una altitud de aproximadamente 80 km (ver foto PR 13a / 03).
Esta fuerte emisión a la que los astrónomos se refieren como el "fondo del cielo" es responsable del límite de desmayo en el que los objetos celestes se pueden detectar con telescopios terrestres en longitudes de onda de infrarrojo cercano. Sin embargo, afortunadamente, hay intervalos espectrales de "fondo OH bajo" donde estas líneas de emisión son mucho más débiles, lo que permite un límite de detección más débil de las observaciones en tierra. Dos de estas "ventanas de cielo oscuro" son evidentes en PR Photo 13a / 03 cerca de longitudes de onda de 820 y 920 nm.
Considerando estos aspectos, una forma prometedora de buscar eficientemente las galaxias más distantes es observar a longitudes de onda cercanas a 920 nm por medio de un filtro óptico de banda estrecha. La adaptación del ancho espectral de este filtro a aproximadamente 10 nm permite la detección de la mayor cantidad de luz posible de los objetos celestes cuando se emite en una línea espectral que coincide con el filtro, al tiempo que minimiza la influencia adversa de la emisión del cielo.
En otras palabras, con un máximo de luz recolectada de los objetos distantes y un mínimo de luz perturbadora de la atmósfera terrestre, las posibilidades de detectar esos objetos distantes son óptimas. Los astrónomos hablan de "maximizar el contraste" de los objetos que muestran líneas de emisión a esta longitud de onda.
El programa de búsqueda de CFHT
En base a las consideraciones anteriores, un equipo internacional de astrónomos [2] instaló un filtro óptico de banda estrecha centrado en la longitud de onda del infrarrojo cercano de 920 nm en el instrumento CFH12K en el telescopio Canadá-Francia-Hawái en Mauna Kea (Hawai, EE. UU.) para buscar galaxias extremadamente distantes. La CFH12K es una cámara de campo amplio utilizada en el foco principal de la CFHT, que proporciona un campo de visión de aprox. 30 x 40 arcmin2, algo más grande que la luna llena [5].
Al comparar imágenes del mismo campo de cielo tomadas a través de diferentes filtros, los astrónomos pudieron identificar objetos que aparecen comparativamente "brillantes" en la imagen NB920 y "débiles" (o incluso no visibles) en las imágenes correspondientes obtenidas a través de los otros filtros . Un ejemplo llamativo se muestra en PR Photo 13b / 03: el objeto en el centro es bien visible en la imagen de 920 nm, pero no en las otras imágenes.
La explicación más probable para un objeto con un color tan inusual es que es una galaxia muy distante para la cual la longitud de onda observada de la fuerte línea de emisión Lyman-alfa es cercana a 920 nm, debido al desplazamiento al rojo. Cualquier luz emitida por la galaxia a longitudes de onda más cortas que Lyman-alpha es fuertemente absorbida por el gas de hidrógeno interestelar e intergaláctico interviniente; Esta es la razón por la que el objeto no es visible en todos los demás filtros.
El espectro VLT
Para aprender la verdadera naturaleza de este objeto, es necesario realizar un seguimiento espectroscópico, observando su espectro. Esto se logró con el instrumento multimodo FORS 2 en el telescopio VLT YEPUN de 8.2 m en el Observatorio Paranal de ESO. Esta instalación proporciona una combinación perfecta de resolución espectral moderada y alta sensibilidad en rojo para este tipo de observación muy exigente. El espectro resultante (débil) se muestra en PR Photo 13c / 03.
PR Photo 13d / 03 muestra un trazado del espectro final ("limpio") del objeto después de la extracción de la imagen mostrada en PR Photo 13c / 03. Se detecta claramente una línea de emisión amplia (a la izquierda del centro; ampliada en el inserto). Es asimétrico, está deprimido en su lado azul (izquierdo). Esto, combinado con el hecho de que no se detecta luz continua a la izquierda de la línea, es una clara firma espectral de la línea Lyman-alpha: los fotones "más azules" que Lyman-alpha son fuertemente absorbidos por el gas presente en la galaxia misma. , y en el medio intergaláctico a lo largo de la línea de visión entre la Tierra y el objeto.
Por lo tanto, las observaciones espectroscópicas permitieron a los astrónomos identificar inequívocamente esta línea como Lyman-alpha y, por lo tanto, confirmar la gran distancia (alto desplazamiento al rojo) de este objeto en particular. El desplazamiento al rojo medido es 6.17, lo que hace que este objeto sea una de las galaxias más distantes jamás detectadas. Recibió la designación "z6VDF J022803-041618": la primera parte de este nombre algo difícil de manejar se refiere a la encuesta y la segunda indica la posición de esta galaxia en el cielo.
Starlight en el Universo temprano
Sin embargo, estas observaciones no llegaron sin sorpresa! Los astrónomos esperaban (y esperaban) detectar la línea Lyman-alfa del objeto en el centro de la ventana espectral de 920 nm. Sin embargo, aunque se encontró la línea Lyman-alfa, se colocó en una longitud de onda algo más corta.
Por lo tanto, no fue la emisión de Lyman-alpha lo que causó que esta galaxia sea "brillante" en la imagen de banda estrecha (NB920), sino la emisión de "continuo" en longitudes de onda más largas que la de Lyman-alpha. Esta radiación es muy débilmente visible como una línea horizontal difusa en PR Photo 13c / 03.
Una consecuencia es que el desplazamiento al rojo medido de 6.17 es menor que el desplazamiento al rojo predicho originalmente de aproximadamente 6.5. Otra es que z6VDF J022803-041618 fue detectado por la luz de sus estrellas masivas (el "continuo") y no por la emisión del gas de hidrógeno (la línea Lyman-alfa).
Esta conclusión interesante es de particular interés, ya que muestra que, en principio, es posible detectar galaxias a esta enorme distancia sin tener que depender de la línea de emisión Lyman-alfa, que puede no estar siempre presente en los espectros de las galaxias distantes. Esto proporcionará a los astrónomos una imagen más completa de la población de galaxias en el Universo temprano.
Además, observar más y más de estas galaxias distantes ayudará a comprender mejor el estado de ionización del Universo a esta edad: la luz ultravioleta emitida por estas galaxias no debería alcanzarnos en un Universo "neutral", es decir, antes de que ocurriera la reionización. . ¡La búsqueda de más de estas galaxias ahora está en marcha para aclarar cómo sucedió la transición de la Edad Media!
Fuente original: Comunicado de prensa de ESO
