Excesivas estrellas masivas en galaxias con brote estelar.

ALMA y el VLT descubren demasiadas estrellas masivas en galaxias starburst, tanto cercanas como lejanas.

Esta impresión artística muestra una polvorienta galaxia en el universo distante que está formando estrellas a un ritmo mucho mayor que en nuestra Vía Láctea. Nuevas observaciones de ALMA son inaccesibles: las galaxias con brote de formación estelar tienen excesos de estrellas masivas en comparación con las galaxias más tranquilas. Crédito: ESO / M. Kornmesser.

• 4 de junior del 2.018.

Utilizando ALMA y el VLT, los astrónomos han descubierto que tanto las galaxias con estallido o brote de formación estelar (galaxias starburst) en el universo temprano como las regiones de formación estelar en una galaxia cercana, contienen una proporción mucho mayor de estrellas masivas que la detectada en galaxias más tranquilas. Estos resultados desafían las ideas actuales acerca de cómo evolucionaron las galaxias, cambiando nuestra comprensión de la historia cósmica de la formación estelar y de la formación de los elementos químicos.

Esta gigantesca región de formación estelar en la galaxia vecina a la Vía Láctea,
la Gran Nube de Magallanes, es la cuna de un asombroso número de estrellas masivas,
algunas de las cuales no tienen más de 300 masas solares. Créditos: ESO.

Sondeando el universo distante, un equipo de científicos, liderados por el astrónomo Zhang Zhi Yu, de la Universidad de Edimburgo, ha utilizado el interferómetro ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) para investigar la proporción de estrellas masivas en cuatro distantes galaxias ricas en gas con estallidos de formación estelar [1]. Estas galaxias se observan cuando el universo era mucho más joven de lo que es ahora, por lo que es poco probable que, en su infancia, hayan atravesado muchos episodios previos de formación de estrellas, lo cual podría haber confundido los resultados.

Zhang y su equipo desarrollaron una nueva técnica, análoga a la datación por radiocarbono (también conocida como datación por carbono-14),  para medir la abundancia de diferentes tipos de monóxido de carbono en cuatro galaxias con estallidos de formación estelar muy lejanas y envueltas en polvo [2]. Observaron la proporción de dos tipos de monóxido de carbono que contenían isótopos diferentes [3].

“Los isótopos de carbono y oxígeno tienen diferentes orígenes”, explica Zhang. “El 18O se produce más en estrellas masivas, y el 13C se produce más en estrellas de masa baja a intermedia”. Gracias a la nueva técnica el equipo pudo mirar a través del polvo de estas galaxias y evaluar por primera vez las masas de sus estrellas.

La masa de una estrella es el factor más importante para determinar cómo evolucionará. Las estrellas masivas brillan intensamente y tienen vidas cortas, y las menos masivas, como el Sol, brillan de forma más modesta durante miles de millones de años. Por tanto, para los astrónomos, conocer las proporciones de las estrellas de diferentes masas que se forman en las galaxias es la base para comprender la formación y evolución de las galaxias a lo largo de la historia del universo. A su vez, esto proporciona información crucial sobre los elementos químicos que formarán nuevas estrellas y planetas y, en última instancia, el número de semillas de agujeros negros que pueden fusionarse para formar los agujeros negros supermasivos que vemos en los centros de muchas galaxias.

La coautora Donatella Romano, del INAF-Observatorio de Ciencias Espaciales y Astrofísica de Bolonia, explica lo que ha descubierto el equipo: “La proporción de 18O y 13C fue unas 10 veces mayor en estas galaxias starburst en el universo temprano que en galaxias como la Vía Láctea, lo que significa que hay una proporción mucho mayor de estrellas masivas en estas galaxias starburst".

El hallazgo de ALMA es consistente con otro descubrimiento en el universo local. Utilizando el VLT (Very Large Telescope) de ESO, un equipo dirigido por Fabian Schneider, de la Universidad de Oxford (Reino Unido), hizo mediciones espectroscópicas de 800 estrellas en la gigantesca región de formación estelar 30 Doradus, en la Gran Nube de Magallanes, con el fin de investigar la distribución general de las edades estelares y las masas iniciales [4].

Antenas del ALMA. Créditos: ESO.

Schneider explicó “Detectamos alrededor de un 30% más de estrellas con masas de más de 30 veces la del Sol de lo esperado, y cerca de un 70% más de lo esperado con masas por encima de 60 masas solares. Nuestros resultados desafían el límite predicho anteriormente de 150 masas solares para la masa inicial máxima de las estrellas y sugieren incluso que ¡las estrellas podrían haberse formado con masas iniciales de hasta 300 masas solares!”.

Rob Ivison, coautor del nuevo artículo científico de ALMA, concluye: “Nuestros hallazgos nos llevan a cuestionar nuestra comprensión de la historia cósmica. Los astrónomos que construyen modelos del universo deben ahora volver a la casilla de salida, que ahora requiere de mayor sofisticación”.

Notas

[1] Las galaxias starburst son galaxias que están experimentando un episodio de formación estelar muy intenso. La tasa a la cual se forman nuevas estrellas puede ser 100 veces o más la tasa de nuestra propia galaxia, la Vía Láctea. Las estrellas masivas de estas galaxias producen radiaciones ionizantes, corrientes estelares y explosiones de supernova, que influyen significativamente en la evolución química y dinámica del medio que les rodea. Estudiar la distribución de la masa de las estrellas en estas galaxias puede decirnos más acerca de su propia evolución y de la evolución del universo en general.

 Guía Láser de uno de las unidades telescópicas del VLT. Crédito: ESO.

[2] El método de datación por radiocarbono se utiliza para determinar la edad de un objeto que contenga materia orgánica. Midiendo la cantidad de 14C, que es un isótopo radiactivo cuya abundancia disminuye continuamente, se puede calcular cuándo murió una planta o un animal. Los isótopos utilizados en el estudio de ALMA, 13C y 18O, son estables y su abundancia aumenta continuamente durante la vida de una galaxia, siendo sintetizados por reacciones de fusión nuclear térmica dentro de las estrellas.

[3] Estas formas diferentes de la molécula se denominan isotopólogos y se diferencian en el número de neutrones que pueden tener. Las moléculas de monóxido de carbono utilizadas en este estudio son un ejemplo de tales especies moleculares, ya que un isótopo estable de carbono puede tener 12 o 13 nucleones en su núcleo, y un isótopo estable del oxígeno puede tener 16, 17 o 18 nucleones.

[4] Schneider et al. hicieron observaciones espectroscópicas de estrellas individuales en 30 Doradus, una región de formación estelar en la cercana Gran Nube de Magallanes, usando el instrumento FLAMES (Fibre Large Array Multi Element Spectrograph), instalado en el VLT (Very Large Telescope). Este estudio fue uno de los primeros en llevarse a cabo que ha sido lo suficientemente detallado como para mostrar que el universo es capaz de producir regiones de formación estelar con distribuciones de masas diferentes a la de la Vía Láctea.

Información adicional

Esta imagen muestra las cuatro galaxias distantes con brote de formación estelar
observadas por ALMA. Las imágenes superiores muestran la emisión de 13CO
de cada galaxia, mientras que la parte inferior muestra su emisión de C18O. La proporción 
de estos dos isotopólogos permitió a los astrónomos determinar que estas galaxias
con brote de formación estelar o starburst tienen un exceso de estrellas masivas.
Crédito: ALMA (ESO / NAOJ / NRAO), Zhang et al.

Los resultados de ALMA se han publicado en artículo “Stellar populations dominated by massive stars in dusty starburst galaxies across cosmic time” y aparecen en la revista Nature el 4 de junio de 2018. Los resultados del VLT se han publicado en el artículo “An excess of massive stars in the local 30 Doradus starburst”, publicado en la revista Science el 5 de enero de 2018.

El equipo de ALMA está formado por: Z. Zhang (Instituto de Astronomía, Universidad de Edimburgo, Edimburgo, Reino Unido; Observatorio Europeo Austral, Garching (cerca de Múnich), Alemania); D. Romano (INAF, Observatorio Astronómico de Bolonia, Bolonia, Italia); R. J. Ivison (Observatorio Europeo Austral, Garching (cerca de Múnich), Alemania; Instituto de Astronomía, Universidad de Edimburgo, Edimburgo, Reino Unido); P .P. Papadopoulos (Centro de Investigación de Astronomía, Academia de Atenas, Atenas, Grecia; Departamento de Física, Universidad Aristóteles de Tesalónica, Tesalónica, Grecia) y F. Matteucci (INAF, Observatorio Astronómico de Trieste, Trieste, Italia; INFN, Sede de Trieste, Trieste, Italia).

El equipo del VLT está formado por: F. R. N. Schneider (Departamento de Física, Universidad de Oxford, Reino Unido); H. Sana (Instituto de Astrofísica, universidad KU Leuven, Bélgica); C. J. Evans (Centro de Tecnología Astronómica del Reino Unido, Real Observatorio de Edimburgo, Edimburgo, Reino Unido); J. M. Bestenlehner (Instituto Max-Planck de Astronomía, Heidelberg, Alemania; Departamento de Física y Astronomía, Universidad de Sheffield, Reino Unido); N. Castro (Departamento de Astronomía, Universidad de Michigan, EE.UU.); L. Fossati (Academia Austríaca de Ciencias, Instituto de Investigación Espacial, Graz, Austria); G. Gräfener (Instituto Argelander de Astronomía de la Universidad de Bonn, Alemania); N. Langer (Instituto Argelander de Astronomía de la Universidad de Bonn, Alemania); O. H. Ramírez-Agudelo (Centro de Tecnología Astronómica del Reino Unido, Real Observatorio de Edimburgo, Edimburgo, Reino Unido); C. Sabín-Sanjulián (Departamento de Física y Astronomía, Universidad de La Serena, Chile); S. Simón-Díaz (Instituto de Astrofísica de Canarias, Tenerife, España; Departamento de Astrofísica, Universidad de La Laguna, Tenerife, España);  F. Tramper (Centro Europeo de Astronomía Espacial, Madrid, España); P. A. Crowther (Departamento de Física y Astronomía, Universidad de Sheffield, Reino Unido); A. de Koter (Instituto de Astronomía Anton Pannekoek, Universidad de Ámsterdam, Países Bajos; Instituto de Astrofísica, universidad KU Leuven, Bélgica); S. E. de Mink (Instituto de Astronomía Anton Pannekoek, Universidad de Ámsterdam, Países Bajos); P. L. Dufton (Centro de Investigación Astrofísica, Escuela de Matemáticas y Física, Universidad de la Reina de Belfast, Irlanda del Norte, Reino Unido); M. Garcia (Centro de Astrobiología, CSIC-INTA, Madrid, España); M. Gieles (Departamento de Física, Facultad de Ingeniería y ciencias Físicas, Universidad de Surrey, Reino Unido); V. Hénault-Brunet (Consejo Nacional de Investigación, Herzberg Astronomía y Astrofísicas, Canadá; Departamento de Astrofísica/Instituto de Matemáticas, Astrofísica y Física de Partículas, Universidad Radboud, Países Bajos); A. Herrero (Departamento de Física y Astronomía, Universidad de La Serena, Chile); R. G. Izzard (Departamento de Física, Facultad de Ingeniería y ciencias Físicas, Universidad de Surrey, Reino Unido; Instituto de Astronomía, Los Observatorios, Cambridge, Reino Unido); V. Kalari (Departamento de Astronomía, Universidad de Chile, Santiago, Chile); D. J. Lennon (Centro Europeo de Astronomía Espacial, Madrid, España); J. Maíz Apellániz (Centro de Astrobiología, CSIC–INTA, campus del Centro Europeo de Astronomía Espacial, Villanueva de la Cañada, España); N. Markova (Instituto de Astronomía del Observatorio Astronómico Nacional, Academia Búlgada de Ciencias, Smolyan, Bulgaria); F. Najarro (Centro de Astrobiología, CSIC-INTA, Madrid, España); Ph. Podsiadlowski (Departamento de Física, Universidad de Oxford, Reino Unido; Instituto Argelander de Astronomía de la Universidad de Bonn, Alemania); J. Puls (Universidad Ludwig-Maximilians, Múnich, Alemania); W. D. Taylor (Centro de Tecnología Astronómica del Reino Unido, Real Observatorio de Edimburgo, Edimburgo, Reino Unido); J. Th. van Loon (Laboratorios Lennard-Jones, Universidad Keele, Staffordshire, Reino Unido); J. S. Vink (Observatorio de Armagh, Irlanda del Norte, Reino Unido) y C. Norman (Universidad Johns Hopkins, Baltimore, EE.UU.; Instituto de Ciencia del Telescopio Espacial, Baltimore, EE.UU.).

ESO es la principal organización astronómica intergubernamental de Europa y el observatorio astronómico más productivo del mundo. Cuenta con el respaldo de quince países: Alemania, Austria, Bélgica, 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”.

Las traducciones de las notas de prensa de ESO las llevan a cabo miembros de la Red de Divulgación de la Ciencia de ESO (ESON por sus siglas en inglés), que incluye a expertos en divulgación y comunicadores científicos de todos los países miembros de ESO y de otras naciones.

El nodo español de la red ESON está representado por J. Miguel Mas Hesse y Natalia Ruiz Zelmanovitch.

Enlaces

• Artículo científico de Zhang et al.

• Artículo científico de Schneider et al.

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