Estudio de la evolución galáctica por Herschel.

Messier 101 por Herschel.

La galaxia del Molinillo.

Esta imagen muestra la Galaxia del Molinillo, también conocida como Messier 101, según lo visto por el Observatorio Espacial Herschel de la ESA. A una distancia de unos 20 millones de años luz de nosotros, esta galaxia espiral tiene una forma similar a nuestra Vía Láctea, pero es casi el doble de grande.

Las observaciones de Herschel en longitudes de onda de infrarrojo lejano y submilimétrico revelan el brillo del polvo cósmico, que es un ingrediente menor pero crucial en el material interestelar en los brazos espirales de galaxias. Esta mezcla de gas y polvo proporciona la materia prima para producir las futuras generaciones de estrellas de la galaxia.

The Pinwheel Galaxy se encuentra en la constelación de la Ursa Major (Osa Mayor), la Big Dipper (el Gran Cazo). Gracias a su orientación, podemos disfrutar de una vista frontal de la hermosa estructura en espiral del disco de la galaxia.

Los brazos espirales están salpicados de varios puntos luminosos de color azul brillante: son regiones de formación estelar activa, donde nacen grandes cantidades de estrellas masivas.

Esta imagen tricolor combina observaciones de Herschel a 70 y 100 micras (azul), 160 y 250 micras (verde), y 350 y 500 micras (rojo). El norte está arriba y el este a la izquierda.

Crédito:

ESA/Herschel/NASA/JPL-Caltech; agradecimiento: R. Hurt (JPL-Caltech)

Comunicado de prensa. • 20 de septiembre de 2017

Buscando en lo profundo del universo.

Profundizando en la historia de nuestro cosmos, el Observatorio Espacial Herschel examinó cientos de miles de galaxias formadoras de estrellas, mirando hacia atrás en el tiempo hasta cuando el Universo tenía menos de mil millones de años. Estas observaciones sondearon la época punta de la producción estelar, hace unos diez mil millones de años, cuando las galaxias formaban estrellas aproximadamente diez veces más rápido que sus homólogos actuales.

Mirando el espectáculo estrellado del cielo nocturno, podríamos ser engañados por su belleza aparentemente atemporal para pensar que la multitud de soles distantes han estado allí desde el principio de los tiempos. Pero, si nuestros ojos pudieran mirar atrás a la historia cósmica hasta los primeros segundos de nuestro Universo, hace casi 14 mil millones de años, serían tratados desde una perspectiva muy diferente.

Poco después del Big Bang, la fase cálida y densa que pone en movimiento nuestro cuento cósmico, el Universo era muy diferente de lo que podemos observar hoy en día, y tomó unos pocos cientos de millones de años para que las estrellas y las galaxias comenzaran a emerger de la "sopa" primordial que llenó el primer cosmos.

Unir las piezas de cómo se formaron y evolucionaron las galaxias, dando a luz a las estrellas a diferentes pasos a lo largo de la historia del Universo, es uno de los temas más intrigantes y desafiantes en la investigación actual de la astrofísica y la cosmología.

El Infrarrojo es la clave.

En su búsqueda para investigar cómo difieren las galaxias en varias épocas cósmicas, los astrónomos han estado recolectando muestras cada vez más grandes, buscando la luz que fueron emitidas por las galaxias hace miles de millones de años y que han estado viajando a través del Universo desde entonces. Estos estudios se benefician enormemente de la combinación de observaciones a diferentes longitudes de onda de luz, con la banda infrarroja siendo crucial para identificar galaxias que forman ferozmente estrellas.

La formación de estrellas en las galaxias tiene lugar dentro de densas nubes de gas que, durante la mayor parte de la historia cósmica, también contienen pequeñas cantidades de polvo. Las estrellas recién nacidas brillan intensamente en longitudes de onda ultravioleta y luz visible, pero solo alrededor de la mitad de esta luz de las estrellas, en promedio, deja una galaxia sin obstáculos. Los granos de polvo vecinos absorben la otra mitad, irradiándola nuevamente pero, esta vez, a longitudes de onda más largas.

Herschel.
Crédito: ESA.

Como resultado del polvo intercalado en el material interestelar, las galaxias emiten aproximadamente el 50 por ciento de su luz total en longitudes de onda de infrarrojo medio, infrarrojo lejano y submilimétrico, entre 8 micras y 1 mm, con un pico en el infrarrojo extremo, alrededor de 50 a 200 micras. Por esta razón, las observaciones en este rango espectral son fundamentales para cuantificar la actividad de formación de estrellas de una galaxia.

Además, la expansión del Universo alarga las longitudes de onda de la luz emitida por objetos distantes. Este efecto, conocido como desplazamiento al rojo, se vuelve cada vez más significativo cuanto más lejos está una galaxia de nosotros.

Esto provoca que el pico de emisión de polvo se mueva desde el infrarrojo lejano a las longitudes de onda submilimétricas. Por lo tanto, las observaciones que cubren estas dos partes del espectro electromagnético se complementan entre sí, capturando la emisión polvorienta de la formación estelar en galaxias cercanas y lejanas.

Sin embargo, realizar observaciones a las longitudes de onda infrarrojas con telescopios en el suelo es generalmente difícil, si no imposible, debido a la presencia de la atmósfera de la Tierra, por lo que los astrónomos recurrieron al espacio.

A principios de la década de 1980, el satélite astronómico infrarrojo estadounidense (IRAS) fue la primera misión espacial para mapear el cielo en el infrarrojo lejano, seguido por el Observatorio Espacial Infrarrojo (ISO) de la ESA a fines de la década de 1990, el Telescopio Espacial Spitzer de la NASA , lanzado en 2003, y Akari de JAXA (Japón), que operó entre 2006 y 2011.

Con observaciones en el infrarrojo medio de ISO y Spitzer, los astrónomos comenzaron a percibir el resplandor del polvo cálido de las galaxias formadoras de estrellas individuales esparcidas por la historia del Universo. Pero solo con el Observatorio espacial Herschel de la ESA, lanzado en 2009 y operativo hasta 2013, estas investigaciones desencadenaron todo su potencial.

La amplia cobertura espectral del observatorio, que incluye el infrarrojo lejano y el rango submilimétrico, se extendió a longitudes de onda más largas que las exploradas por Spitzer, ISO y Akari. Como resultado, los astrónomos pudieron sentir un polvo más frío que el que habían sido detectados por sus predecesores. Con su resolución angular sin precedentes, Herschel también podía detectar galaxias que habían sido perdidas por estos observatorios anteriores a las longitudes de onda que tenían en común.

Además, y quizás lo más importante, su rango espectral particular hizo posible atrapar galaxias cuya luz había sido desplazada en rojo a longitudes de onda más largas que las exploradas por sus predecesores, trazando la formación estelar a mayores distancias y, por lo tanto, tiempos anteriores en la historia cósmica.

Observatorio espacial Spitzer.
Crédito: NASA

Con un espejo primario de 3,5 metros, Herschel lucía el telescopio infrarrojo más grande volado hasta la fecha, otorgando a los astrónomos una sensibilidad sin precedentes que era crucial para observar galaxias formadoras de estrellas en todo el Universo.

Examinar la evolución de las galaxias fue el foco de varios programas clave que dedicaron más de 2000 horas a estas observaciones, entre ellas, el Sondeo extragaláctico de varios niveles de Herschel, la sonda evolutiva de PACS y el sondeo de miles de grados de Herschel.

Siguiendo los pasos de estudios previos basados ​​en los datos de Spitzer, Herschel permitió a los astrónomos resolver la 'niebla' difusa conocida como radiación cósmica de fondo infrarrojo en cientos de miles de galaxias formadoras de estrellas, activas como estrellas, como se veían en una variedad de épocas pasadas La contribución de Herschel fue crucial para impulsar las observaciones hasta el momento en que el Universo tenía menos de mil millones de años, probando el período completo cuando la formación estelar alcanzó su punto máximo e incluso más allá.

Este resultado, que ha abierto nuevas vías para estudiar la evolución de las galaxias, es un tanto sugestivo de las observaciones revolucionarias de Galileo que, hace poco más de cuatro siglos, había apuntado el telescopio recién inventado al difuso resplandor blanco de la Vía Láctea, rompiéndolo en una miríada de estrellas individuales.

El apogeo de la formación estelar.

Con sus profundas inspecciones de varias regiones del cielo, Herschel reveló un Universo lleno de galaxias formadoras de estrellas, su presencia descubierta por el resplandor del polvo calentado por las estrellas en formación.

La medición de qué tan brillante brilla una galaxia en el infrarrojo lejano puede informar a los astrónomos sobre la cantidad de polvo que hay y lo bueno que es, lo que puede usarse, a su vez, para determinar el ritmo de actividad de la formación estelar de la galaxia.

Messier 101 por el Spizter.
Crédito: NASA, ESA, CXC, JPL, Caltech and STScI

En el Universo actual, las galaxias producen estrellas a un ritmo bastante tranquilo, con nuestra Vía Láctea dando a luz a solo unas pocas estrellas similares al Sol cada año. Sin embargo, las galaxias han sido mucho más prolíficas en el pasado, y Herschel ha sido fundamental para estimar cuánto.

Las estrellas y las galaxias han estado explotando desde que el Universo tenía aproximadamente 500 mil millones de años, y los astrónomos ahora están de acuerdo en que esta actividad alcanzó su punto máximo unos pocos miles de millones de años después. En esa época gloriosa, Herschel confirmó que las galaxias formaban estrellas aproximadamente diez veces más rápido, en promedio, de lo que son hoy en día.

Poco después, la tasa promedio de formación de estrellas en las galaxias comenzó a declinar, y lo ha estado haciendo constantemente en los últimos diez mil millones de años de historia cósmica.

Con una diferencia tan marcada en la actividad formadora de estrellas de las galaxias presentes y pasadas, es legítimo preguntarse si los procesos físicos que regulan la producción estelar también experimentaron algún cambio sustancial durante los eones.

La mayoría de las galaxias en el Universo de hoy están haciendo estrellas de manera suave y constante, y rara vez las interacciones dinámicas de galaxias, o fusiones, desencadenan la explosión ocasional e intensa del nacimiento estelar.

Los astrónomos sospecharon que las fusiones galácticas podrían haber sido responsables del ritmo más elevado de formación estelar en su punto más alto, hace diez mil millones de años, pero las pistas de Spitzer y, más tarde, la evidencia más sólida de Herschel revelaron sorprendentemente que este no era el caso.

A pesar de sus mayores tasas de producción, la mayoría de las galaxias en épocas cósmicas anteriores parecen ser bastante "ordinarias": es probable que su mayor productividad sea un efecto del gas frío, la materia prima para hacer estrellas, más abundante en esos momentos.

Dentro de este escenario, las galaxias anteriores no ocultan ningún mecanismo misterioso que incremente su eficiencia en la creación de estrellas, pero es probable que se trate de versiones escaladas de las galaxias que observamos en la actualidad.

Messier 101 en luz óptica.
Crédito: ESA/NASA & Hubble.

Este resultado relega los estallidos desencadenados por fusiones a un papel menor en el historial total de formación estelar, el ingrediente decisivo parece ser un suministro constante de gas frío, que bien podrían ser provistos por corrientes intergalácticas, como sugiere la simulación numérica de la formación de estructuras cósmicas.

Además, Herschel demostró que, en un momento dado del Universo, la gran mayoría de las galaxias formadoras de estrellas parecen obedecer una regla muy simple: cuanto mayor sea la masa de estrellas alojadas en una galaxia, más rápidamente esta galaxia está formando nuevas estrellas . Esta relación, llamada Secuencia Principal de la Galaxia, ya se había identificado utilizando observaciones de galaxias de Spitzer en épocas más recientes, pero Herschel confirmó que se aplica también a épocas anteriores.

El hecho de que tal relación parezca cierta en la mayoría de la historia cósmica es notable, lo que sugiere que los mecanismos relativamente simples deben estar regulando el complejo proceso de una galaxia que convierte su material interestelar en estrellas.

Solo una pequeña fracción de las galaxias starburst extremadamente prolíficas parecen romper esta regla, tanto en el Universo anterior como en el posterior. Herschel descubrió que tales monstruos eran un poco más abundantes en épocas anteriores, pero demostraron que nunca fueron el principal canal de formación estelar en ninguna época. De hecho, la actividad feroz de la producción estelar observada en galaxias estrelladas parece no ser sostenible durante largos períodos de tiempo, lo que provoca que rápidamente apaguen su formación estelar.

Más recientemente, nuevos análisis de las observaciones de Herschel han demostrado que la situación puede no ser tan clara después de todo. Estos estudios indican que la Secuencia Principal de la Galaxia podría descomponerse también en el caso de galaxias muy masivas, lo que sugiere que, a medida que las galaxias se hacen más masivas acumulando gas frío, podrían llegar a un punto donde dejen de formar estrellas de manera muy eficiente. Los motivos de este cambio en el comportamiento aún se investigan.

El papel de la retroalimentación.

Centaurus A.
Crédito: ESO.

¿Qué causó la caída en la tasa de formación de estrellas, hace diez mil millones de años, y su tendencia general a la baja desde entonces?

Si bien es evidente que, en el pasado, las galaxias tenían a su disposición un suministro mucho más grande de materia prima para formar estrellas que en la actualidad, los procesos físicos que los drenaron de sus depósitos de gas interestelar (y polvo) todavía no se entiende completamente. Del mismo modo, los astrónomos todavía están probando los posibles mecanismos subyacentes a la Secuencia Principal de la Galaxia.

Otro tema abierto se refiere a la asombrosa similitud observada entre la historia a largo plazo de dos procesos aparentemente dispares que tienen lugar en las galaxias: la formación de estrellas y la acumulación de materia en los agujeros negros supermasivos que están al acecho en sus núcleos: ambos procesos parecen llegar a un tope hace unos diez mil millones de años. ¿Cómo puede la evolución de los agujeros negros, que son relativamente pequeños y confinados en el centro de sus galaxias anfitrionas, estar vinculados a la actividad formadora de estrellas que tiene lugar en escalas mucho más grandes?

La respuesta a algunas o quizás a todas estas preguntas podría residir en los efectos de "retroalimentación" que se ejercen sobre el material interestelar que impregna una galaxia con la radiación estelar y los vientos, explosiones de supernovas y salidas posiblemente activadas por la actividad de su agujero negro central.

Los astrónomos han estado estudiando durante mucho tiempo el papel de la retroalimentación en la evolución de la galaxia utilizando una variedad de observaciones en todo el espectro. Mirando a las galaxias cercanas que están formando estrellas más rápidamente que la mayoría de sus vecinos, Herschel aportó información importante a esta búsqueda.

Utilizando datos de Herschel, los astrónomos descubrieron salidas masivas de gas molecular que se alejaban de los núcleos de varias galaxias formadoras de estrellas en el Universo local. Si bien se han observado gases de escape en forma neutra e ionizada en estudios anteriores, esta fue la primera detección de expulsiones masivas de gas molecular, cruciales en la fabricación de estrellas, que fueron expulsadas de una galaxia. Las salidas más fuertes se observaron en las galaxias que albergan activamente los agujeros negros supermasivos en su centro, haciendo alusión a un papel para la retroalimentación del agujero negro al drenar el depósito de material formador de estrellas de una galaxia.

Se encontraron más pistas en las radio galaxias cercanas, que exhiben chorros simétricos de plasma volando, a la velocidad de la luz, desde el agujero negro central. Estos jets definitivamente tienen el poder de afectar el gas en escalas mucho más grandes y tal vez incluso impiden la formación de estrellas de la galaxia anfitriona.

Las observaciones de Herschel también fueron claves para probar un aspecto crucial en estas cuestiones de retroalimentación, descubriendo por primera vez el vínculo causal entre la actividad del agujero negro en el centro de una galaxia y las salidas de gas observadas en escalas mucho más grandes. Esto fue posible al comparar una salida galáctica de gas molecular, detectada por Herschel, con datos de rayos X que sondean un poderoso viento de gas ionizado impulsado por el agujero negro en el núcleo de la galaxia. Al observar estos dos fenómenos en la misma galaxia por primera vez, los astrónomos demostraron además el papel que desempeñaron los agujeros negros en la regulación de la formación de estrellas en sus galaxias anfitrionas.

Messier 82 o la galaxia del cigarro, una galaxia starbust.
Crédito: NASA, ESA and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA).
Acknowledgment: J. Gallagher (University of Wisconsin),
M. Mountain (STScI) and P. Puxley (NSF).

Dando sentido a todo.

Para llegar al fondo de cómo las galaxias evolucionaron de manera diferente en la historia del Universo, las observaciones se comparan con las predicciones de las simulaciones por computadora, que intentan reproducir la acumulación de estructuras cósmicas en escalas muy grandes. Muchas simulaciones nuevas también han incluido la muy desafiante tarea de incluir una serie de procesos a pequeña escala para explicar los efectos de retroalimentación causados ​​por la formación de estrellas o la actividad de los agujeros negros supermasivos.

En cuanto al sondeo de Herschel sobre más de 12 mil millones de años de formación de estrellas, una comparación con el cosmos simulado mostró que algunos procesos subyacentes a la evolución galaxia parecen ser bien comprendidos, pero muchos detalles siguen sin estar claros. Las simulaciones aún están lejos de reproducir las propiedades complejas y diversas registradas por los sondeos de galaxias, especialmente en lo que concierne al vínculo entre la retroalimentación y la formación estelar, y todavía queda mucho trabajo por hacer antes de que todas las piezas de este rompecabezas cósmico entren en su lugar.

Sin embargo, las observaciones sin precedentes de Herschel están ayudando mucho a los astrónomos en su ambicioso esfuerzo de armar la compleja historia de cómo se formaron y evolucionaron estrellas y galaxias en el cosmos. Empujando los límites experimentales más lejos que cualquiera de sus predecesores, la misión ha revelado una serie de gemas previamente ocultas, cercanas y lejanas, que han sido cruciales para juntar esta intrigante historia, mientras que al mismo tiempo descubrieron nuevos misterios que mantendrán astrónomos ocupados en el futuro previsible.

Herschel es una misión fundamental de la Agencia Espacial Europea, con instrumentos científicos proporcionados por consorcios de institutos europeos y con una importante participación de la NASA. La oficina del proyecto Herschel de la NASA está ubicada en JPL. JPL contribuyó con tecnología de misión para dos de los tres instrumentos científicos de Herschel. El Centro de Ciencias Herschel de la NASA, parte de IPAC en el Instituto de Tecnología de California en Pasadena, apoya a la comunidad astronómica de los Estados Unidos. Caltech maneja el JPL para la NASA.

Comunicado de prensa. • 20 de septiembre de 2017