Detectados los primeros elementos formados en el universo.

ALMA observa la presencia de oxígeno más distante, la galaxia SXDF-NB1006-2.

Impresión artística de la galaxia distante SXDF-NB1006-2.

• Publicado en ESO el 16 de junio del 2.016.

Un equipo de astrónomos ha empleado el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) para detectar oxígeno brillante en una galaxia distante, la que percibimos como si estuviese en una época 700 millones de años después de ocurrido el Big Bang. Esta es la galaxia más lejana en la que, de forma inequívoca, alguna vez se haya detectado oxígeno, siendo además altamente probable que este se encuentre ionizado por una intensa radiación proveniente de estrellas gigantes jóvenes. Esta galaxia podría ser un ejemplo de un tipo de fuente responsable de la reionización cósmica en los inicios de la historia del Universo.

Astrónomos de Japón, Suecia, el Reino Unido y ESO han utilizado el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) para observar una de las galaxias más distantes conocidas a la fecha. SXDF-NB1006-2 posee un corrimiento al rojo de z=7,2 lo que implica que solo la observamos en una época de 700 millones de años después del Big Bang.

El equipo esperaba obtener información sobre los elementos químicos pesados [1] presentes en la galaxia, ya que estos pueden entregarnos información acerca del nivel de formación estelar existente, y por lo tanto proporcionar pistas del período de la historia del Universo conocido como reionización cósmica.

“La búsqueda de elementos pesados en los inicios del Universo es un enfoque esencial para explorar la actividad de la formación estelar en ese período”, dijo Akio Inoue de la Universidad de Osaka Sangyo, Japón, el autor principal del trabajo de investigación, el que se publicará en la revista Science. “El estudio de los elementos pesados también nos da un indicio para entender cómo se formaron las galaxias y lo que causó la reionización cósmica”, agregó.

Composición en colores de una porción de las observaciones del Subaru
 XMM-Newton Deep Survey Field. Crédito: NAOJ.

En el tiempo anterior a la formación de los objetos en el Universo, este se encontraba lleno de gas eléctricamente neutro. Pero cuando los primeros objetos comenzaron a brillar, unos pocos cientos de millones de años después del Big Bang, emitieron una intensa radiación que comenzó a descomponer estos átomos neutros (a ionizar el gas). Durante esta fase (conocida como reionización cósmica) el Universo en su totalidad cambió de forma dramática. Sin embargo, existe un gran debate sobre exactamente qué tipo de objetos causaron la reionización. Estudiar las condiciones en galaxias muy distantes puede ayudar a responder a esta pregunta.

Antes de observar la lejana galaxia, los investigadores realizaron simulaciones por computador para predecir la facilidad con la que podrían esperar ver evidencia de oxígeno ionizado haciendo uso de ALMA. También consideraron las observaciones de galaxias similares mucho más cercanas a la Tierra, y llegaron a la conclusión de que la emisión de oxígeno debiese ser detectable, incluso a grandes distancias [2].

Luego llevaron a cabo observaciones de alta sensibilidad con ALMA [3] y detectaron luz proveniente del oxígeno ionizado en SXDF-NB1006-2, haciendo de esta, de manera inequívoca, la detección de oxígeno más distante jamás obtenida [4]. Es una evidencia contundente de la presencia de oxígeno en los inicios del Universo, sólo 700 millones de años después del Big Bang.

Se descubrió que el oxígeno en SXDF-NB1006-2 era diez veces menos abundante de lo que es en el Sol. “La poca abundancia se explica debido a que el Universo aún era joven y tenía una breve historia de formación estelar en ese momento”, comentó Naoki Yoshida de la Universidad de Tokio. “Nuestra simulación en realidad predijo una abundancia diez veces menor a la del Sol. Pero tenemos otro inesperado resultado: una cantidad muy pequeña de polvo”.

Composición en colores de la galaxia distante SXDF-NB 1006-2. 

El equipo fue incapaz de detectar alguna emisión de carbono en la galaxia, lo que sugiere que esta joven galaxia contiene muy poco gas de hidrógeno no ionizado, y descubrió además que esta sólo contiene una pequeña cantidad de polvo, el que se compone de elementos pesados. “Algo inusual puede estar ocurriendo en esta galaxia”, comentó Inoue. “Sospecho que casi todo el gas se encuentra altamente ionizado”.

La detección de oxígeno ionizado indica que muchas estrellas de gran brillo, un gran número docenas de veces más masivas que el Sol, se han formado en la galaxia y emiten la intensa luz ultravioleta necesaria para ionizar los átomos de oxígeno.

La ausencia de polvo en la galaxia permite que la intensa luz ultravioleta escape e ionice grandes cantidades de gas fuera de la galaxia. “SXDF-NB1006-2 sería un prototipo de las fuentes de luz responsables de la reionización cósmica”, dijo Inoue.

“Este es un importante paso para comprender qué tipo de objetos causaron la reionización cósmica”, explicó Yoichi Tamura de la Universidad de Tokio. “Nuestras siguientes observaciones con ALMA ya han comenzado. Observaciones con una resolución mayor nos permitirán ver la distribución y el movimiento del oxígeno ionizado en la galaxia y proporcionarán información vital para ayudarnos a entender las propiedades de la galaxia”.

Notas.
[1] En terminología astronómica, los elementos químicos más pesados que el litio se conocen como elementos pesados.

[2] El satélite japonés de astronomía infrarroja AKARI detectó que esta emisión de oxígeno es muy brillante en la Gran Nube de Magallanes, la que cuenta con un ambiente similar al del Universo temprano.

[3] La longitud de onda original de la luz emitida por el oxígeno doblemente ionizado es de 0,088 milímetros. La longitud de onda de la luz proveniente de SXDF-NB1006-2 se extiende hasta alcanzar los 0,725 milímetros debido a la expansión del Universo, haciendo la luz visible con ALMA.

[4] Trabajos anteriores de Finkelstein y colaboradores sugirieron la presencia de oxígeno en un periodo algo anterior, pero no hubo una detección directa de una línea de emisión, como es el caso del nuevo estudio.

Este diagrama muestra los principales hitos en la evolución del Universo desde el Big Bang, hace unos 13.800 millones de años atrás. No es un diagrama a escala. El Universo se encontraba en un estado neutro 400 mil años después del Big Bang y permaneció así hasta que la luz de la primera generación de estrellas comenzó a ionizar el hidrógeno. Después de varios cientos de millones de años, el gas en el Universo se ionizó por completo. Crédito: NAOJ.

Información adicional.

Este estudio fue presentado en el trabajo de investigación titulado: “Detection of an oxygen emission line from a high redshift galaxy in the reionization epoch” ("Detección de una línea de emisión de oxígeno proveniente de una galaxia con un alto corrimiento al rojo en la época de la reionización") escrito por Inoue y colaboradores, publicado en la revista Science, artículo en Science.

El equipo está compuesto por: Akio Inoue (Universidad de Osaka Sangyo, Japón), Yoichi Tamura (Universidad de Tokio, Japón), Hiroshi Matsuo (NAOJ/Universidad Superior de Estudios Avanzados, Japón), Ken Mawatari (Universidad de Osaka Sangyo, Japón), Ikkoh Shimizu (Universidad de Osaka, Japón), Takatoshi Shibuya (Universidad de Tokio, Japón), Kazuaki Ota (Universidad de Cambridge, Reino Unido), Naoki Yoshida (Universidad de Tokio, Japón), Erik Zackrisson (Universidad de Upsala, Suecia), Nobunari Kashikawa (NAOJ/Universidad Superior de Estudios Avanzados, Japón), Kotaro Kohno (Universidad de Tokio, Japón), Hideki Umehata (SO[a], Garching, Alemania; Universidad de Tokio, Japón), Bunyo Hatsukade (NAOJ, Japón), Masanori Iye (NAOJ, Japón), Yuichi Matsuda (NAOJ/Universidad Superior de Estudios Avanzados, Japón), Takashi Okamoto (Universidad de Hokkaido, Japón) y Yuki Yamaguchi (Universidad de Tokio, Japón).

El conjunto ALMA, (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) es una instalación astronómica internacional fruto de la colaboración entre ESO, la Fundación Nacional para la Ciencia de EE.UU. (NSF, National Science Foundation) y los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales de Japón (NINS, National Institutes of Natural Sciences) en cooperación con la República de Chile. ALMA está financiado por ESO en nombre de sus países miembros; por la NSF en cooperación con el Consejo Nacional de Investigación de Canadá (NRC, National Research Council) y el Consejo Nacional de Ciencias de Taiwán (NSC, National Science Council), y por el NINS en cooperación con la Academia Sinica (AS) de Taiwán y el Instituto de Astronomía y Ciencias Espaciales de Corea (KASI, Korea Astronomy and Space Science Institute).

La construcción y operaciones de ALMA están lideradas por ESO en nombre de sus países miembros; por el Observatorio Nacional de Radioastronomía (NRAO, National Radio Astronomy Observatory), gestionado por Associated Universities, Inc. (AUI), en América del Norte; y por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ, Observatorio Astronómico Nacional de Japón) en Asia Oriental. El Observatorio Conjunto ALMA (Observatorio Conjunto ALMA, JAO) proporciona al proyecto la unificación tanto del liderazgo como de la gestión de la construcción, puesta a punto y operaciones de ALMA.

19 antenas de ALMA.
Crédito: ESO.

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”.

• Artículo científico.

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