CR7, la galaxia más lejana y más brillante encontrada por el VLT.

La mejor evidencia observacional de la primera generación de estrellas del universo.

Imagen de autor de CR7.

El VLT descubre CR7, la galaxia lejana más brillante, y señales de una población estelar de tipo III.

Utilizando el Very Large Telescope de ESO, un equipo de astrónomos ha descubierto la galaxia más brillante encontrada hasta ahora en el universo temprano, hallando además evidencias de que, acechando en su interior, hay ejemplares de la primera generación de estrellas. Estos objetos masivos, brillantes y puramente teóricos hasta ahora, fueron los creadores de los primeros elementos pesados de la historia, los elementos necesarios para forjar las estrellas que nos rodean hoy en día, de los planetas que las orbitan y de la vida tal y como la conocemos. La galaxia recién descubierta, apodada CR7, es tres veces más brillante que la galaxia distante más brillante conocida hasta ahora.

Plataforma del VLT en la Silla.
Crédito: ESO.

Los astrónomos han teorizado durante mucho tiempo sobre la existencia de una primera generación de estrellas, conocida por los astrónomos como estrellas de población III, que nacieron del material primordial del Big Bang [1]. Todos los elementos químicos más pesados (como oxígeno, nitrógeno, carbono y hierro, que son esenciales para la vida) se forjaron en el interior de las estrellas. Esto significa que las primeras estrellas debieron haberse formado a partir de los únicos elementos que existían antes de las estrellas: hidrógeno, helio y trazas de litio.

Estas estrellas de población III habrían sido enormes, varios cientos o incluso mil veces más masivas que el Sol, ardientes y efímeras, y habrían acabado explotando como supernovas después de tan solo unos dos millones años. Pero hasta ahora la búsqueda de la prueba física de su existencia no había encontrado ninguna evidencia clara [2].

Un equipo dirigido por David Sobral, del Instituto de Astrofísica y Ciencias del Espacio, la Universidad de Lisboa (Portugal) y el Observatorio de Leiden (Países Bajos), ha utilizado el Very Large Telescope (VLT de ESO) para mirar hacia el universo antiguo, hacia un periodo conocido como reionización que tuvo lugar aproximadamente 800 millones de años después del Big Bang. En lugar de llevar a cabo un estudio profundo y limitado de un área pequeña del cielo, ampliaron su alcance para producir el sondeo más amplio de galaxias muy lejanas jamás elaborado.

Este amplio estudio se hizo utilizando el VLT con ayuda del Observatorio W. M. Keck y del telescopio Subaru, así como del Telescopio Espacial Hubble de NASA/ESA. El equipo descubrió  y confirmó una serie de galaxias muy jóvenes asombrosamente brillantes. Una de ellas, bautizada como CR7 [3], era un objeto excepcionalmente raro, sin duda la galaxia más brillante nunca observada en esa etapa en el universo [4]. Con el descubrimiento de CR7 y de otras galaxias brillantes, el estudio ya suponía un éxito, pero una nueva revisión proporcionó más noticias emocionantes.

El telescopio Subaru es un telescopio de 8,2 metros
infrarrojo-óptico situado en Manua Kea, Hawaii, EUA,
  manejado por NAOJ, NINS.

Los instrumentos X-shooter y SINFONI, instalados en el VLT, descubrieron en CR7 una potente emisión de helio ionizado pero crucial y sorprendentemente ninguna señal de elementos más pesados en una brillante zona de la galaxia. Esto significó que el equipo había descubierto la primera evidencia válida de la existencia de cúmulos de estrellas de población III que habían ionizado el gas dentro de una galaxia en el universo temprano [5].

"El descubrimiento desafiaba nuestras expectativas desde el principio", afirma David Sobral, "ya que no esperábamos encontrar una galaxia tan brillante. Entonces, al descubrir la naturaleza de CR7 paso a paso, comprendimos que no sólo habíamos descubierto la galaxia lejana más luminosa, sino que también nos dimos cuenta de que cumplía todas y cada una de las características esperadas de estrellas de población III. Esas estrellas fueron las que formaron los primeros átomos pesados que, en última instancia, nos ha permitido estar aquí. Realmente no hay nada más emocionante que esto".

Dentro de CR7 se encontraron cúmulos de estrellas más azules y un poco más rojas, indicando que la formación de estrellas de población III había tenido lugar por oleadas, tal y como se había predicho. Lo que el equipo observó de forma directa fue la última oleada de estrellas de población III, sugiriendo que tales estrellas deben ser más fáciles de encontrar de lo que se pensaba previamente: residen entre estrellas normales, en las galaxias más brillantes, no sólo en las galaxias más tempranas, más pequeñas y más tenues, que son tan débiles que son extremadamente difíciles de estudiar.

Jorryt Matthee, segundo autor del artículo, concluyó: "siempre me he preguntado de dónde venimos. Incluso siendo niño quería saber de dónde provienen los elementos: el calcio de mis huesos, el carbono de mis músculos, el hierro de mi sangre. Descubrí que estos se formaron primero en los inicios del universo, por la primera generación de estrellas. Con este notable descubrimiento estamos empezando a ver estos objetos por primera vez".

Está previsto llevar a cabo observaciones con el VLT, ALMA y el Telescopio Espacial Hubble de la NASA/ESA para confirmar, más allá de toda duda, que lo que se ha observado son estrellas de población III y buscar e identificar otros ejemplos.

Notas.

Observatorio W. M. Keck en Manua Kea, Hawaii, EUA.
Los telescopios gemelos Keck son dos telescopios
que funcionan en el rango del óptico y del infrarrojo
cuyos espejos primarios tienen un tamaño de 10 metros.

[1] El nombre población III surgió porque los astrónomos ya habían clasificado a las estrellas de la Vía Láctea como población I (estrellas como el Sol, ricas en elementos más pesados y formando el disco) y población II (estrellas más viejas, con un bajo contenido en elementos pesados y encontradas en el halo y el bulbo de la Vía Láctea y en cúmulos globulares de estrellas).

[2] Encontrar estas estrellas es muy difícil: han debido tener una vida extremadamente breve y habrían brillado en un tiempo en el que el universo era en gran parte opaco a su luz. Resultados anteriores incluyen los siguientes estudios: Nagao, et al., 2008, donde no se detectó helio ionizado; De Breuck et al., 2000, donde se detectó helio ionizado, pero junto con carbono y oxígeno, así como claras firmas de un núcleo galáctico activo; y Cassata et al., 2013, donde se detectó helio ionizado, pero de un ancho equivalente o una intensidad muy bajos, y junto con carbono y oxígeno.

[3] El apodo de CR7 es la abreviatura de COSMOS Redshift 7, una medida de su ubicación en términos de tiempo cósmico. Cuanto mayor es el corrimiento al rojo, más lejana es la galaxia y más atrás en la historia del universo se ve. A1689-zD1, una de las galaxias más antiguas jamás observadas, por ejemplo, tiene un corrimiento al rojo de 7.5.

El telescopio espacial Hubble de la NASA/ESA.

El apodo fue inspirado por el gran futbolista portugués, Cristiano Ronaldo, conocido como CR7.

[4] CR7 es tres veces más brillante que el anterior titular, Himiko, que se pensó era la única de su tipo en esa época tan temprana. Las galaxias polvorientas, en etapas mucho más tardías en la historia del universo, pueden irradiar una energía total mayor que la de CR7 en forma de radiación infrarroja desde el polvo templado. La energía que proviene de CR7 es, en su mayor parte, luz visible y ultravioleta.

[5] El equipo considera dos teorías alternativas: que la fuente de la luz era o bien un AGN, Galaxia de Núcleo Activo de sus siglas en inglés, o bien estrellas Wolf-Rayet. La falta de elementos pesados y de otras evidencias, refutan firmemente ambas teorías. El equipo también considera que la fuente puede ser un agujero negro de colapso directo, que son en sí mismos objetos exóticos y excepcionales puramente teóricos. La falta de una línea ancha de emisión y el hecho de que las luminosidades del hidrógeno y el helio fueran mucho mayores de lo predicho para este tipo de agujeros negros indican que esto, también, es poco probable. La falta de emisión de rayos X refutaría aún más esta posibilidad, pero se necesitan observaciones adicionales.

Información adicional.

Este trabajo de investigación se presentó en el artículo científico titulado “Evidence for PopIII-like stellar populations in the most luminous Lyman-α emitters at the epoch of re-ionisation: spectroscopic confirmation”, por D. Sobral, et al., aceptado para su publicación en la revista The Astrophysical Journal, artículo en línea.

ESO desde 1962.

El equipo está formado por David Sobral (Instituto de Astrofísica y Ciencias del Espacio, Universidad de Lisboa, Lisboa, Portugal; Departamento de Física, Facultad de Ciencias, Universidad de Lisboa, Lisboa, Portugal; Observatorio de Leiden, Universidad de Leiden, Leiden, Países Bajos); Jorryt Matthee (Observatorio de Leiden); Behnam Darvish (Departamento de Física y Astronomía, Universidad de California, Riverside, California, EE.UU.); Daniel Schaerer (Observatorio de Ginebra, Departamento de Astronomía, Universidad de Ginebra, Versoix, Suiza; Centro Nacional de Investigaciones Científicas, IRAP, Toulouse, Francia); Bahram Mobasher (Departamento de Física y Astronomía, Universidad de California, Riverside, California, EE.UU.); Huub J. A. Röttgering (Observatorio de Leiden); Sérgio Santos (Instituto de Astrofísica y Ciencias del Espacio, Universidad de Lisboa; Departamento de Física, Universidad de Lisboa, Portugal) y Shoubaneh Hemmati (Departamento de Física y Astronomía, Universidad de California, Riverside, California, EE.UU.).

ESO es la principal organización astronómica intergubernamental de Europa y el observatorio astronómico más productivo del mundo. Cuenta con el respaldo de dieciséis países: Alemania, Austria, Bélgica, Brasil, Dinamarca, España, Finlandia, Francia, Italia, Países Bajos, Polonia, Portugal, el Reino Unido, República Checa, Suecia y Suiza, junto con el país anfitrión, Chile. ESO desarrolla un ambicioso programa centrado en el diseño, construcción y operación de poderosas instalaciones de observación terrestres que permiten a los astrónomos hacer importantes descubrimientos científicos. ESO también desarrolla un importante papel al promover y organizar la cooperación en investigación astronómica. ESO opera en Chile tres instalaciones de observación únicas en el mundo: La Silla, Paranal y Chajnantor. En Paranal, ESO opera el Very Large Telescope, el observatorio óptico más avanzado del mundo, y dos telescopios de rastreo. VISTA (siglas en inglés de Telescopio de Rastreo Óptico e Infrarrojo para Astronomía) trabaja en el infrarrojo y es el telescopio de rastreo más grande del mundo, y el VST (VLT Survey Telescope, Telescopio de Rastreo del VLT) es el telescopio más grande diseñado exclusivamente para rastrear el cielo en luz visible. ESO es el socio europeo de un revolucionario telescopio, ALMA, actualmente el mayor proyecto astronómico en funcionamiento del mundo. Además, cerca de Paranal, en Cerro Armazones, ESO está construyendo el E-ELT (European Extremely Large Telescope), el telescopio óptico y de infrarrojo cercano de 39 metros que llegará a ser “el ojo más grande del mundo para mirar el cielo”.

Publicado en ESO el 17 de junio del 2.015.