Completado el sondeo espectroscópico más profundo hecho hasta el momento.

MUSE (Multi Unit Spectroscopic Explorer) penetra en zonas inexploradas del Campo Ultraprofundo del Hubble.

Esta imagen a color muestra la región del Campo Ultraprofundo de Hubble (una región pequeña pero muy estudiada de la constelación de Fornax), observada con el instrumento MUSE, instalado en el VLT (Very Large Telescope) de ESO. Pero esta imagen sólo da una visión muy parcial de la riqueza de los datos de MUSE, que también proporcionan un espectro para cada pixel de la imagen. Este conjunto de datos ha permitido que los astrónomos no sólo puedan medir las distancias de muchas más de estas galaxias, un total de 1600, sino que también han extraído más información acerca de cada una de ellas. Sorprendentemente, se encontraron 72 nuevas galaxias que habían eludido la imagen profunda obtenida con el telescopio espacial Hubble de NASA/ESA.
Crédito: ESO/MUSE HUDF collaboration.

Utilizando el instrumento MUSE, instalado en el telescopio VLT (Very Large Telescope) de ESO, en Chile, un equipo de astrónomos ha llevado a cabo el sondeo espectroscópico más profundo hecho hasta el momento. Se han centrado en el Campo Ultraprofundo del Hubble (HUDF, Hubble Ultra Deep Field), midiendo distancias y propiedades de 1600 galaxias muy débiles, incluyendo 72 galaxias que nunca habían sido detectadas con anterioridad, ni siquiera por el Hubble. Este revolucionario conjunto de datos ya ha dado lugar a diez artículos científicos que se publican en un número especial de la revista Astronomy & Astrophysics. Los astrónomos han obtenido información sobre la formación de estrellas en el universo temprano y han podido estudiar los movimientos y otras propiedades de las galaxias tempranas, algo posible gracias a las exclusivas capacidades espectroscópicas de MUSE.

El equipo del sondeo MUSE HUDF, dirigido por Roland Bacon, de la Universidad de Lyon (CRAL, CNRS, Francia) utilizo el instrumento MUSE (Multi Unit Spectroscopic Explorer) para observar el Campo Ultraprofundo del Hubble, una zona muy estudiada de la constelación meridional de Fornax (el horno). Como resultado obtuvieron las observaciones espectroscópicas más profundas jamás llevadas a cabo; se midió la precisa información espectroscópica de 1.600 galaxias, diez veces más galaxias de las que se han estudiado en este campo con datos cuidadosamente obtenidos durante la última década por telescopios terrestres.

Esta imagen muestra el Campo Ultraprofundo de Hubble 2012, una versión mejorada
 de la imagen de Campo Ultraprofundo de Hubble con tiempo de observación adicional.
Los nuevos datos han revelado por primera vez la existencia de una población
 de galaxias distantes con desplazamiento al rojo de entre 9 y 12, incluyendo
el objeto más distante observado hasta la fecha. Estas galaxias requerirán de
confirmación usando espectroscopía por parte del próximo
Telescopio Espacial James Webb de NASA/ESA/CSA.
Crédito: NASA, ESA, R. Ellis (Caltech), and the HUDF 2012 Team.

Las imágenes originales del HUDF, publicadas en 2004, fueron pioneras en el campo de las observaciones de campo profundo con el Telescopio Hubble de NASA/ESA. Alcanzaron una profundidad nunca lograda antes y revelaron una colección de galaxias que se remontaba a menos de mil millones de años después del Big Bang. Posteriormente, el área fue observada numerosas veces por Hubble y otros telescopios, dando como resultado la imagen más profunda del universo hasta la fecha [1]. Ahora, a pesar de la profundidad de las observaciones de Hubble, MUSE ha revelado la existencia (entre otras cosas) de 72 galaxias nunca vistas antes en esta pequeña zona del cielo.

Roland Bacon lo explica: “MUSE puede hacer algo que Hubble no puede: divide la luz de cada punto de la imagen en los colores que la componen para crear un espectro. Esto nos permite medir la distancia, los colores y otras propiedades de todas las galaxias que podemos ver, incluso algunas que son invisibles al propio Hubble”.

Los datos de MUSE ofrecen una nueva visión de galaxias tenues muy distantes, vistas cerca del principio del universo hace unos 13000 millones de años. Ha detectado galaxias cien veces más débiles que en anteriores sondeos, añadiéndolas a este rico campo ya observado y profundizando en nuestra comprensión de las galaxias a través del tiempo.

El sondeo saca a la luz a 72 candidatas a galaxias conocidas como emisoras de Lyman-alfa que brillan solo con luz Lyman-alfa [2]. La actual comprensión de la formación estelar no puede dar una explicación completa sobre la existencia de estas galaxias, que sólo parecen brillar intensamente en este color. Gracias a que MUSE dispersa la luz en los colores que la componen, estos objetos se hacen evidentes, pero siguen siendo invisibles en imágenes directas profundas como las del Hubble.

“MUSE tiene la capacidad única de extraer información de algunas de las primeras galaxias del universo, incluso en una parte del cielo que ya está muy bien estudiada”, explica Jarle Brinchmann (Universidad de Leiden, Países Bajos, e Instituto de Astrofísica y Ciencias del Espacio del CAUP en Oporto, Portugal), autor principal de uno de los artículos que describen los resultados de este sondeo. “Aprendemos cosas sobre estas galaxias que sólo es posible aprender con espectroscopia, como movimientos internos y contenidos químicos. Y lo hacemos, no galaxia por galaxia, ¡sino para todas las galaxias a la vez!”.

El instrumento MUSE instalado en el VLT de ESO.

Otro hallazgo importante de este estudio fue la detección sistemática de halos luminosos de hidrógeno alrededor de galaxias en el universo temprano, dando a los astrónomos una forma nueva y prometedora de estudiar cómo fluye el material dentro y fuera de las primeras galaxias.

Una serie de artículos científicos explora muchas otras potenciales aplicaciones de este conjunto de datos, con trabajos que incluyen estudiar el papel de las galaxias débiles durante la reionización  [4] cósmica (que comenzó tan solo 380.000 años después del Big Bang), la tasa de fusión de galaxias cuando el universo era joven, los vientos galácticos, la formación estelar, así como mapeo de los movimientos de las estrellas en el universo temprano.

“Cabe destacar que estos datos fueron todos tomados sin el uso de la reciente actualización de la instalación de óptica adaptativa (AOF, Adaptive Optics Facility) de MUSE. La activación del AOF tras una década de intenso trabajo por parte de los astrónomos e ingenieros de ESO promete datos aún más revolucionarios en el futuro”, concluye Roland Bacon [3].

Notas

[1] El Campo Ultraprofundo de Hubble es una de las zonas más ampliamente estudiadas del espacio. Hasta la fecha, trece instrumentos de ocho telescopios, incluyendo ALMA, del que ESO es socio, han observado este campo, desde los  rayos X hasta las longitudes de onda de radio.

[2] Los electrones de carga negativa que orbitan el núcleo cargado positivamente de un átomo han cuantizado sus niveles de energía. Es decir, sólo puede existir en estados de energía específicos, y sólo pueden tener transiciones entre estos al ganar o perder cantidades precisas de energía. La radiación Lyman-alfa se produce cuando los electrones de los átomos de hidrógeno caen del segundo nivel de energía más bajo al nivel de energía más bajo. La cantidad exacta de energía perdida se libera como luz en una particular longitud de onda en la parte ultravioleta del espectro que los astrónomos pueden detectar con telescopios espaciales o terrestres en el caso de objetos con desplazamiento al rojo. Para estos datos, con desplazamiento al rojo de z ~ 3 – 6.6, la luz Lyman-alfa se ve como la luz visible o del infrarrojo cercano.

[3] La instalación de óptica adaptativa de MUSE ha revelado anillos nunca vistos antes alrededor de la nebulosa planetaria IC 4406.

[4] La reionización es un proceso que ocurrió tras la época en que comenzó la formación de galaxias, y es la segunda mayor fase de cambio del hidrógeno en el universo. La primera es la recombinación, ocurrió con un desplazamiento al rojo de z=1100 (400.000 años tras el Big Bang), en el tiempo en que el enfriamiento debido a la expansión del universo lo condujo a una temperatura en que la tasa de recombinación del hidrógeno era mayor que la de ionización, permitiendo que los protones se recombinasen con electrones para formar átomos neutros. Se piensa que la reionización ocurrió cuando las primeras generaciones de estrellas de población III y cuásares emitieron radiación que reionizó el universo, volviendo a hacerlo un plasma ionizado (6 < z < 20 ; 150-1000 millones de años tras el big bang).

La eficiencia con que el gas existente entre un cuásar y un observador puede absorber la radiación de ciertas longitudes de onda, tales como la transición Lyman-alpha del hidrógeno atómico, depende sensiblemente del grado en que se encuentre ionizado. Debido a la expansión del universo, estas líneas de absorción están desplazadas al rojo, más cuanto más lejana de nosotros se produjo la absorción, de tal forma que las absorciones presentes en diferentes partes del espectro son producidas por gas interceptado a diversas distancias. La luz de los cuásares que nos alcanza ahora nos muestra distintas partes del espectro correspondientes a distintas etapas de la evolución del universo. Examinar el espectro de un cuásar nos proporciona no solo información espacial, sino también temporal con respecto a la ionización del universo.

De esta manera puede inferirse de la no aparición de absorción en el espectro de cuásares con un desplazamiento al rojo de  z<6 (alrededor de 1000 millones de años tras el Big Bang), que gran parte del medio intergaláctico no estaba formado por átomos neutros sino por un plasma ionizado. Las líneas de absorción que aparecen en el espectro de cuásares, conocida como el bosque Lyman-alfa, se deben a la absorción de regiones con gas neutro, atravesado por la radiación. Observaciones recientes de cuásares con desplazamiento al rojo ligeramente superior a z=6, indican que el universo era neutro en un pequeño porcentaje en esa época.

Estudios teóricos de la reionización sugieren que el universo debió pasar de ser relativamente neutro a altamente ionizado en un período relativamente breve. La presencia de espectro que indican que con un desplazamiento al rojo de z = 6 el universo era neutro en un pequeño porcentaje, indica que quizás la reionización comenzó poco antes, y que el universo era en gran medida neutro con un desplazamiento al rojo de z > 10, reionización.

Información adicional.

Este trabajo de investigación se ha presentado en una serie de diez artículos científicos que aparecen en la revista Astronomy & Astrophysics.

Los equipos están formados por:

Roland Bacon (Universidad de Lyon, Lyon, Francia); Hanae Inami (Universidad de Lyon, Lyon, Francia); Jarle Brinchmann (Observatorio de Leiden, Leiden, Países Bajos; Instituto de Astrofísica y Ciencias del Espacio, Oporto, Portugal); Michael Maseda (Observatorio de Leiden, Leiden, Países Bajos); Adrien Guerou (IRAP, Universidad de Toulouse, Francia; ESO, Garching, Alemania); A. B. Drake (Universidad de Lyon, Lyon, Francia); H. Finley (IRAP, Universidad de Toulouse, Toulouse, Francia); F. Leclercq (Universidad de Lyon, Lyon, Francia); E. Ventou (IRAP, Universidad de Toulouse, Toulouse, Francia); T. Hashimoto (Universidad de Lyon, Lyon, Francia); Simon Conseil (Universidad de Lyon, Lyon, Francia); David Mary (Laboratorio Lagrange, Niza, Francia); Martin Shepherd (Universidad de Lyon, Lyon, Francia); Mohammad Akhlaghi (Universidad de Lyon, Lyon, Francia); Peter M. Weilbacher (Instituto Leibniz de Astrofísica de Postdam, Postdam, Alemania); Laure Piqueras (Universidad de Lyon, Lyon, Francia); Lutz Wisotzki (Instituto Leibniz de Astrofísica de Postdam, Postdam, Alemania); David Lagattuta (Universidad de Lyon, Lyon, Francia); Benoit Epinat (IRAP, Universidad de Toulouse, Toulouse, Francia; Universidad Aix Marseille, Marsella, Francia); Sebastiano Cantalupo (ETH Zúrich, Zúrich, Suiza); Jean Baptiste Courbot (Universidad de Lyon, Lyon, Francia; ICube, Universidad de Estrasburgo, Estrasburgo, Francia); Thierry Contini (IRAP, Universidad de Toulouse, Toulouse, Francia); Johan Richard (Universidad de Lyon, Lyon, Francia); Rychard Bouwens (Observatorio de Leiden, Leiden, Países Bajos); Nicolas Bouché (IRAP, Universidad de Toulouse, Toulouse, Francia); Wolfram Kollatschny (AIG, Universidad de Gotinga, Gotinga, Alemania); Joop Schaye (Observatorio de Leiden, Leiden, Países Bajos); Raffaella Anna Marino (ETH Zúrich, Zúrich, Suiza); Roser Pello (IRAP, Universidad de Toulouse, Toulouse, Francia); Christian Herenz (Instituto Leibniz de Astrofísica de Postdam, Postdam, Alemania); Bruno Guiderdoni (Universidad de Lyon, Lyon, Francia); Marcella Carollo (ETH Zúrich, Zúrich, Suiza); S. Hamer (Universidad de Lyon, Lyon, Francia); B. Clément (Universidad de Lyon, Lyon, Francia); G. Desprez (Universidad de Lyon, Lyon, Francia); L. Michel-Dansac (Universidad de Lyon, Lyon, Francia); M. Paalvast (Observatorio de Leiden, Leiden, Países Bajos); L. Tresse (Universidad de Lyon, Lyon, Francia); L. A. Boogaard (Observatorio de Leiden, Leiden, Países Bajos); J. Chevallard (Oficina de Apoyo Científico, ESA/ESTEC, Noordwijk, Países Bajos); S. Charlot (Universidad de la Sorbona, París, Francia); J. Verhamme (Universidad de Lyon, Lyon, Francia); Marijn Franx (Observatorio de Leiden, Leiden, Países Bajos); Kasper B. Schmidt (Instituto Leibniz de Astrofísica de Postdam, Postdam, Alemania); Anna Feltre (Universidad de Lyon, Lyon, Francia); Davor Krajnović (Instituto Leibniz de Astrofísica de Postdam, Postdam, Alemania); Eric Emsellem (ESO, Garching, Alemania; Universidad de Lyon, Lyon, Francia); Mark den Brok (ETH Zúrich, Zúrich, Suiza); Santiago Erroz-Ferrer (ETH Zúrich, Zúrich, Suiza); Peter Mitchell (Universidad de Lyon, Lyon, Francia); Thibault Garel (Universidad de Lyon, Lyon, Francia); Jeremy Blaizot (Universidad de Lyon, Lyon, Francia); Edmund Christian Herenz (Departamento de Astronomía, Universidad de Estocolmo, Estocolmo, Suecia); D. Lam (Universidad de Leiden, Leiden, Países Bajos); M. Steinmetz (Instituto Leibniz de Astrofísica de Postdam, Postdam, Alemania); y J. Lewis (Universidad de Lyon, Lyon, Francia).

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 ELT (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”.

Enlaces.

• Número especial de la revista A&A sobre MUSE HUDF.
• “The MUSE Hubble Ultra Deep Field Survey: I. Survey description, data reduction and source detection”, por R. Bacon et al.
• “The MUSE Hubble Ultra Deep Field Survey: II. Spectroscopic Redshift and Line Flux Catalog, and Comparisons to Color Selections of Galaxies at 3 < z < 7”, por H. Inami et al.
• “The MUSE Hubble Ultra Deep Field Survey: III. Testing photometric redshifts to 30th magnitude”, por J. Brinchmann et al.
• “The MUSE Hubble Ultra Deep Field Survey: IV. An Overview of C III] Emitters”, por M. V. Maseda et al.
• “The MUSE Hubble Ultra Deep Field Survey: V. Spatially resolved stellar kinematics of galaxies at redshift 0.2 ≲ z ≲ 0.8”, por A. Guérou.
• “The MUSE Hubble Ultra Deep Field Survey: VI. The Faint-End of the Lyα Luminosity Function at 2.91 < z < 6.64 and Implications for Reionisation”, por A. B. Drake et al.
• “The MUSE Hubble Ultra Deep Field Survey:VII. Fe II* Emission in Star-Forming Galaxies”, por H. Finley et al.
• “The MUSE Hubble Ultra Deep Field Survey: VIII. Extended Lyman α haloes”, por F. Leclercq et al.
• “The MUSE Hubble Ultra Deep Field Survey: IX. evolution of galaxy merger fraction up to z ≈ 6”, por E. Ventou et al.
• “The MUSE Hubble Ultra Deep Field Survey: X. Lyα Equivalent Widths at 2.9 < z < 6.6”, por T. Hashimoto et al.

Publicado en ESO el 29 de noviembre del 2.017.