El Universo, 90% más lleno: una gran fracción de galaxias había pasado inadvertida

Hace tiempo que los astrónomos sabían que, en muchos sondeos del Universo muy distante, una fracción importante del total de luz intrínseca no era detectada

Fracias a un sondeo extremadamente profundo que se realizó usando dos de los cuatro telescopios gigantes de 8,2 metros que conforman el VLT (Very Large Telescope) de ESO y un filtro específico hecho a medida, los astrónomos han determinado que una gran fracción de galaxias, cuya luz fue emitida hace 10 mil millones de años, había pasado inadvertida. El sondeo también ayudó a identificar algunas de las galaxias más tenues que se hayan encontrado jamás en esta etapa del Universo primordial

Los astrónomos usan frecuentemente la brillante y característica “huella digital” de luz emitida por el hidrógeno, conocida como línea Lyman-alfa, para estudiar la cantidad de estrellas formadas en el Universo muy lejano [1]. Sin embargo, desde hace tiempo se especulaba con que muchas galaxias lejanas no eran identificadas en estos sondeos. Un nuevo sondeo del VLT demuestra por primera vez que esto es exactamente lo que está pasando. Gran parte de la luz Lyman-alfa queda atrapada dentro de la galaxia que la emite, y el 90% de las galaxias no llegan a ser detectadas en los sondeos Lyman-alfa.

“Los astrónomos siempre supieron que les faltaba una fracción de las galaxias en los sondeos Lyman-alfa” explica Matthew Hayes, el autor principal de la investigación, publicada esta semana en Nature, “pero ahora por primera vez tenemos una medida concreta. Y la cantidad de galaxias que se estaba perdiendo es enorme”.

Para comprender qué fracción de luminosidad no se detecta, Hayes y su equipo usaron la cámara FORS instalada en el VLT y un filtro de banda estrecha hecho a medida [2] para medir la luz Lyman-alfa, siguiendo la metodología estándar de este tipo de estudios. Luego, usando la nueva cámara HAWK-I, instalada en otra unidad telescopio del VLT, exploraron la misma área en busca de la luz emitida a una longitud de onda diferente, también debida al hidrógeno, conocida como la línea H-alfa. Específicamente buscaron galaxias cuya luz hubiera estado viajando durante 10 mil millones de años (desplazamiento hacia el rojo 2,2 [3]), en un área bien estudiada del cielo conocida como el campo GOODS–Sur.

“Esta es la primera vez que observamos con tanta profundidad una fracción del cielo en luz proveniente del hidrógeno en estas dos longitudes de ondas muy específicas, y esto demostró ser crucial”, dice el miembro del equipo Göran Östlin. El sondeo fue extremadamente profundo y reveló algunas de las galaxias más tenues que se conocen de esta época primordial en la vida del Universo. De este modo, los astrónomos pudieron concluir que los sondeos tradicionales que utilizan la emisión Lyman-alfa sólo ven una pequeña parte del total de la luz que es producida, ya que la mayor parte de los fotones Lyman-alfa son destruidos por la interacción con nubes interestelares de gas y polvo. Este efecto es notoriamente más significativo para la luz Lyman-alfa que para la H-alfa. Como resultado, una cantidad tan significativa como el 90% de las galaxias pasa inadvertida en estos sondeos. “Si vemos diez galaxias, allí podría haber cientos”, dice Hayes.

Diferentes métodos de observación, centrados en la luz emitida a diferentes longitudes de onda, conducirán siempre a una visión del Universo que solo es parcialmente completa. Los resultados de este sondeo constituyen una seria advertencia para los cosmólogos, considerando que a medida que aumenta la distancia, la emisión Lyman-alfa se convierte en uno de los pocos trazadores disponibles para el estudio de las primerísimas galaxias que se formaron en la historia del Universo. “Ahora que sabemos cuánta luz hemos pasado por alto, podemos comenzar a crear representaciones del cosmos mucho más precisas, entendiendo mejor la velocidad con que se formaron las estrellas en las diferentes épocas de la vida del Universo”, dice el coautor J. Miguel Mas-Hesse.

Este gran avance ha sido posible gracias a la cámara usada, única en su género. HAWK-I, que vio su primera luz en 2007, es un instrumento de última generación. “Sólo hay unas cuantas cámaras con un campo de visión más amplio que HAWK-I, pero operan en telescopios de menos de la mitad del tamaño del VLT. De modo que realmente solo el VLT y HAWK-I son capaces de encontrar eficientemente galaxias tan tenues a estas distancias”, dice el miembro del equipo Daniel Schaerer.

Notas

[1]La luz Lyman–alfa corresponde a la luz emitida por hidrógeno excitado (más específicamente cuando el electrón alrededor del núcleo salta del primer nivel de excitación al nivel fundamental). Esta luz es emitida en el rango ultravioleta a 121,6 nanómetros. La línea Lyman-alfa es la primera de la llamada serie de Lyman, nombrada en honor a su descubridor, Teodore Lyman.

La serie de Balmer, nombrada en honor a Johann Balmer, también corresponde a luz emitida por hidrógeno excitado. En este caso, el electrón cae al primer nivel de excitación. La primera línea en esta serie es la línea H-alfa, emitida a 656,3 nanómetros.

Como la mayoría de los átomos de hidrógeno presentes en la galaxia están en el nivel fundamental, la luz Lyman-alfa es absorbida más eficientemente que la luz H-alfa, la que requiere átomos con un electrón ubicado en el segundo nivel. Como esto es muy poco común en el hidrógeno que constituye el medio interestelar frío en estas galaxias, el gas es casi perfectamente transparente para la luz H-alfa.

[2] Un filtro de banda estrecha es un filtro óptico diseñado para dejar pasar solo un rango de luz muy estrecho, centrado en una longitud de onda específica. Los filtros de banda estrecha tradicionales incluyen aquellos centrados en las líneas de la serie de Balmer, como H-alfa.

[3] Debido a la expansión del Universo, la luz de un objeto distante es desplazada hacia el rojo en una cantidad que depende de su distancia. Esto significa que la luz es llevada hacia longitudes de onda más largas. Un desplazamiento al rojo de 2,2 –que corresponde a galaxias cuya luz ha tardado aproximadamente 10 mil millones de años en alcanzarnos– implica que la longitud de onda de la luz es aumentada por un factor de 3,2. De este modo la luz Lyman-alfa se ve ahora aproximadamente a 390 nanómetros, cerca del dominio visible, y puede observarse con el instrumento FORS ubicado en el VLT de ESO, mientras que la línea H-alfa se desplaza hasta 2,1 micras, en el infrarrojo cercano. Por tanto puede ser observada con el instrumento HAWK-I del VLT.

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Esta investigación ha sido presentada en un artículo que aparecerá en Nature (“Escape de alrededor de un cinco por ciento de los fotones Lyman-alfa en galaxias con formación estelar a alto desplazamiento al rojo”, por M. Hayes y colaboradores).

El equipo está compuesto por Matthew Hayes, Daniel Schaerer y Stéphane de Barros (Observatorio Astronómico de la Universidad de Ginebra, Suiza), Göran Östlin y Jens Melinder (Universidad de Estocolmo, Suecia), J. Miguel Mas-Hesse (CSIC-INTA, Madrid, España), Claus Leitherer (Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial, Baltimore, Estados Unidos), Hakim Atek y Daniel Kunth (Institut d’Astrophysique de Paris, Francia), y Anne Verhamme ( Facultad de Astrofísica de la Universidad de Oxford, Reino Unido).

ESO, el Observatorio Europeo Austral, es la principal organización astronómica intergubernamental en Europa y el observatorio astronómico más productivo del mundo. Es apoyado por 14 países: Alemania, Austria, Bélgica, Dinamarca, España, Finlandia, Francia, Holanda, Italia, Portugal, el Reino Unido, República Checa, Suecia y Suiza. ESO desarrolla un ambicioso programa enfocado en el diseño, construcción y operación de poderosas instalaciones de observación terrestres que permiten a los astrónomos hacer importantes descubrimientos científicos. ESO también cumple un rol principal en promover y organizar la cooperación en investigación astronómica. ESO opera tres sitios únicos de observación de clase mundial en Chile: La Silla, Paranal y Chajnantor. En Paranal, ESO opera el Very Large Telescope, el observatorio óptico más avanzado del mundo. ESO es el socio europeo de un revolucionario telescopio, ALMA, el proyecto astronómico más grande en desarrollo. ESO está actualmente planificando un European Extremely Large Telescope, el E-ELT, telescopio óptico y de infrarrojo cercano de 42 metros de diámetro, que llegará a ser “el ojo más grande del mundo hacia el cielo”.

Fuente: ESO. Aportado por Eduardo J. Carletti

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