Se obtuvo inédita vista del gas y polvo en un campo cosmológico profundo

Un grupo internacional de astrónomos usó el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) para hacer un inventario del polvo y gas molecular presente en galaxias distantes a una profundidad sin precedentes en el icónico Campo Ultraprofundo del Hubble (H-UDF), una de las regiones más estudiadas del cielo. Los resultados finales se publican hoy en una serie de artículos en The Astrophysical Journal. En la investigación participó el Dr. Jorge González-López, astrónomo del Observatorio Las Campanas de la Carnegie Institution for Science.

Se ha demostrado que las estrellas se forman a partir del colapso gravitacional de densas nubes de gas molecular. Para describir la evolución de las galaxias es indispensable medir su contenido de gas molecular y determinar su evolución en el tiempo cósmico.  Para ello, un grupo internacional de astrónomos llevó a cabo el ALMA SPECtroscopic Survey in the Hubble Ultra-Deep Field (ASPECS), el primer programa extragaláctico de gran envergadura aprobado por ALMA, ideado para realizar un levantamiento sin sesgos y tridimensional del contenido de gas molecular de las galaxias existentes en el campo profundo extragaláctico más estudiado, el emblemático Campo Ultraprofundo del Hubble (H-UDF).

El equipo del ASPECS eligió el H-UDF debido a que permite realizar las mejores observaciones en profundidad y alta resolución en todo el espectro electromagnético, más allá del continuo tradicional, y tiene una ubicación ideal para ALMA. Chris Carilli, astrónomo del Observatorio Radioastronómico Nacional de Estados Unidos (NRAO), explica: “El éxito de  ASPECS radica en dos grandes avances: la sensibilidad sin precedentes de ALMA y la base de datos en longitudes de onda múltiples sin parangón disponible sobre el Campo Ultraprofundo del Hubble gracias a las más de 1.000 horas de observación realizadas en las instalaciones astronómicas espaciales y terrestres más avanzadas”.

El equipo del ASPECS también optó por un enfoque conocido como escaneo de frecuencia para obtener mediciones del gas molecular en un volumen cósmico bien definido. Se eligió este enfoque para maximizar las líneas de monóxido de carbono (CO) con alto desplazamiento al rojo, que delatan directamente la presencia de gas molecular, y obtener imágenes del continuo milimétrico del HUDF en profundidades sin precedentes. Jorge González-López explica este método: “La técnica de escaneo de frecuencia es similar a la sintonización de un canal de radio AM/FM: se mueve la perilla hasta obtener señal. Para nosotros, cada uno de estos ‘canales de radio’ es una línea de gas molecular en una galaxia distante”. La validez del enfoque observacional de ASPECS quedó demostrada por varios programas piloto llevados a cabo por el interferómetro Plateau de Bure del IRAM y por ALMA en ciclos anteriores.

Render en 3D del cubo de datos de ASPECS en Banda 3 sobre fondo de Hubble UDF. Aparecen fuertes emisores de gas molecular frío como puntos brillantes en los cubos. Las características lineales corresponden a fuentes continuas de polvo brillante. Crédito: Decarli et al

La profundidad sin precedentes de los escaneos en frecuencia milimétrica y las imágenes de continuo de ALMA revelaron la presencia de docenas de galaxias distantes y polvorientas en la región H-UDF, lo cual permitió al equipo de ASPECS responder varias preguntas sobre cómo se forman y crecen las galaxias. Estas permitieron revelar además las galaxias que contienen la mayor parte de las bolsas de polvo y gas frío del UDF, la gran cantidad de datos recabados en longitudes de onda múltiples disponibles sobre el campo ASPECS/UDF, que incluyen imágenes profundas del telescopio espacial Hubble de la NASA/ESA e imágenes espectroscópicas del explorador MUSE del Very Large Telescope de la ESO, permite obtener un panorama completo de las propiedades físicas de las galaxias del ASPECS. Manuel Aravena, astrónomo de la Universidad Diego Portales concluye: “Los datos del ASPECS constituyen nuestra mirada más profunda al Universo lejano y polvoriento hasta la fecha, y podrían abarcar la totalidad de las masivas bolsas de polvo y gas del H-UDF. Gracias a nuestra estrategia de observación, pudimos identificar bolsas de gas masivas en galaxias donde no se esperaba detectarlas debido a la baja tasa de formación estelar y las bajas masas estelares”. En efecto, la profundidad sin precedentes alcanzada por ASPECS permitió al equipo determinar que casi todas las bolsas de polvo frío del H-UDF a una distancia que se remonta a los albores de los tiempos cósmicos corresponden a galaxias. Los resultados obtenidos por ALMA podrían explicarse en el contexto de mediciones realizadas anteriormente por el equipo de ASPECS mediante modelos paralelos. Estos resultados también confirman que, en general, hace cerca de 10.000 millones de años las galaxias estaban hechas principalmente de gas molecular, en vez de estrellas, al contrario de lo que se observa en las galaxias actuales.

Comparación entre la imagen del Hubble (óptica e infrarrojo cercano) y la huella ASPECS del H-UDF, que se muestra a la derecha. Crédito: STScI, gonzalez-Lopez et al, ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

“El proyecto ASPECS muestra lo importante y necesario que es la sinergia entre distintos observatorios y la aprobación de programas de gran envergadura. Los cientos de horas invertidos con telescopios espaciales y terrestres nos permitieron identificar las galaxias detectadas con ALMA y de esta manera saber dónde estaba el gas molecular y el polvo frio interestelar", destaca González-López. “El escaneo sin sesgos hecho con ALMA nos permitió obtener información sobre las galaxias detectas y de las no detectadas. La profundidad de las observaciones nos permitió poner restricciones importantes en la cantidad de gas y polvo en galaxias lejanas. Nuestro análisis nos indica que estamos detectando todas las reservas de polvo frio en galaxias lejanas, lo que tiene importantes implicancias para los modelos de formación y evolución de galaxias", agrega.

El estudio ASPECS también permitió determinar la evolución de la densidad del gas molecular cósmico desde unos 2 millones de años después del Big Bang hasta hoy. El Dr. Roberto Decarli, del Instituto Nacional de Astrofísica de Bolonia (Italia), explica: “Nuestro análisis demostró sin ambigüedades que la densidad del gas molecular alcanzó su máximo cuando el Universo tenía unos 4 millones de años, y luego disminuyó casi en una orden de magnitud hasta el valor medido en el Universo local». Este resultado ya se había predicho en estudios de campo profundo molecular anteriores, entre ellos el programa piloto del ASPECS. Al recabar datos más fidedignos, el equipo del ASPECS pudo confirmar sin margen de error que se produjo un incremento y luego una disminución en la densidad del gas molecular en el transcurso del tiempo cósmico. Este nivel máximo en la densidad de gas molecular corresponde al que se registró en la época de la formación de galaxias.

Este fenómeno se cotejó con otras mediciones clave de las propiedades de las galaxias, en particular la evolución de la densidad cósmica del gas atómico, la tasa de formación estelar y el aumento de las masas estelares. El Dr. Fabian Walter, del Instituto Max Planck de Astronomía de Heidelberg (Alemania), concluye: “Al reunir toda la información, pudimos determinar la cantidad de gas que se concentró en los centros de las galaxias mediante acreción a lo largo del tiempo cósmico y de esta forma explicar la existencia de las estrellas presentes en las galaxias”. Así, estas observaciones delimitan considerablemente los modelos y simulaciones de evolución galáctica.

El equipo de ASPECS espera continuar estudiando galaxias con alto contenido de gas a partir de datos de mayor resolución obtenidos por ALMA y de los nuevos datos que arrojarán las observaciones del telescopio espacial James Webb de la NASA (cuyo lanzamiento está programado para fines de 2021).

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