ALMA descubre una galaxia infantil en rotación con la ayuda del telescopio cósmico natural

Usando el Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA), los astrónomos encontraron una galaxia bebé en rotación 1/100 del tamaño de la Vía Láctea en un momento en que el universo tenía solo el 7% de su edad actual. Gracias a la ayuda del efecto de lente gravitacional, el equipo pudo explorar por primera vez la naturaleza de las «galaxias normales» pequeñas y oscuras al comienzo del universo, representativas de la población principal de las primeras galaxias, que va a un largo camino en nuestra comprensión de la etapa inicial de la evolución de la galaxia.

«Muchas de las galaxias que existían en el universo primitivo eran tan pequeños que su brillo está muy por debajo del límite de los telescopios más grandes de la Tierra y el espacio, lo que dificulta el estudio de sus propiedades y estructura interna «, dice Nicolas Laporte, miembro principal de Kavli en la Universidad de Cambridge». Sin embargo, la luz de la galaxia llamada RXCJ0600-z6 ha sido muy magnificada por lentes gravitacionales, lo que la convierte en un objetivo ideal para estudiar las propiedades y la estructura de las típicas galaxias bebés. «

La lente gravitacional es un fenómeno natural en el que la luz emitida por un objeto distante es desviada por la gravedad de un cuerpo masivo, como una galaxia o un cúmulo de galaxias ubicadas en primer plano. El nombre «lente gravitacional» se deriva del hecho de que la gravedad del objeto masivo actúa como una lente. Cuando miramos a través de una lente gravitacional, la luz de los objetos distantes se intensifica y sus formas se estiran. En otras palabras, es un «telescopio natural» flotando en el espacio.

El equipo de ALMA Lensing Cluster Survey (ALCS) utilizó ALMA para estudiar una gran cantidad de galaxias al principio universo que se magnifican mediante lentes gravitacionales. Combinando el poder de ALMA, con la ayuda de telescopios naturales, los investigadores pueden descubrir y estudiar galaxias más débiles.

¿Por qué es crucial explorar las galaxias más débiles del universo temprano? La teoría y las simulaciones predicen que la mayoría de las galaxias formadas unos cientos de millones de años después del Big Bang son pequeñas y, por lo tanto, débiles. Aunque previamente se han observado varias galaxias al comienzo del universo, las estudiadas se limitaron a los objetos más masivos y, por tanto, las galaxias menos representativas al comienzo del universo, debido a las capacidades del telescopio. La única forma de comprender la formación estándar de las primeras galaxias y obtener una imagen completa de la formación de las galaxias es centrarse en las galaxias más débiles y numerosas.

El equipo de ALCS llevó a cabo un programa de observación a gran escala que tomó 95 horas, que es un tiempo muy largo para las observaciones de ALMA, para observar las regiones centrales de 33 cúmulos de galaxias que puede causar lentes gravitacionales. Uno de estos cúmulos, llamado RXCJ0600-2007, se encuentra en la dirección de la constelación de Lepus y tiene una masa de 1.000 billones de veces la del Sol. El equipo descubrió una única galaxia distante que está siendo afectada por las lentes gravitacionales creadas por este telescopio natural. ALMA detectó luz de iones de carbono y polvo de estrellas en la galaxia y, junto con los datos del telescopio Gemini, determinó que la galaxia se ve como era unos 900 millones de años después del Big Bang (hace 12,9 mil millones de años). Un análisis más detallado de estos datos sugirió que parte de esta fuente se ve 160 veces más brillante de lo que es intrínsecamente.

Al medir con precisión la distribución de masa del cúmulo de galaxias, es posible «deshacer» la lente efecto y restaurar el objeto ampliado a su apariencia original. Combinando datos del Telescopio Espacial Hubble y el Very Large Telescope del Observatorio Europeo Austral con un modelo teórico, el equipo pudo reconstruir la forma real de la galaxia distante RXCJ0600-z6. La masa total de esta galaxia es aproximadamente de 2 a 3 mil millones de veces la del Sol, que es aproximadamente 1/100 del tamaño de nuestra propia galaxia, la Vía Láctea.

Lo que sorprendió al equipo es que el RXCJ0600-z6 está girando. Tradicionalmente, se pensaba que el gas en las galaxias jóvenes tenía un movimiento caótico y aleatorio. Recientemente, ALMA descubrió varias galaxias jóvenes en rotación que desafiaban la estructura teórica tradicional, pero eran varios órdenes de magnitud más brillantes (más grandes) que RXCJ0600-z6.

«Nuestro estudio demuestra, por primera vez, que podemos medir directamente el movimiento interno de tales desmayos (menos masivos) galaxias en el Universo temprano y comparar con las predicciones teóricas «, dice Kotaro Kohno, profesor de la Universidad de Tokio y líder del equipo de ALCS.

«El hecho de que el RXCJ0600-z6 tenga un factor de aumento muy alto también genera expectativas para futuras investigaciones», explica Seiji Fujimoto, miembro de DAWN en el Instituto Niels Bohr. «Esta galaxia fue seleccionada, entre cientos, para ser observada por el Telescopio Espacial James Webb (JWST), el espacio de la próxima generación telescopio para ser lanzado este otoño. A través de observaciones conjuntas utilizando ALMA y JWST, revelaremos las propiedades del gas y las estrellas en una galaxia bebé y sus movimientos internos. Cuando se completen el Telescopio de Treinta Metros y el Telescopio Extremadamente Grande, podrán detectar cúmulos de estrellas en la galaxia y posiblemente incluso identificar estrellas individuales. Hay un ejemplo de lente gravitacional que se ha utilizado para observar una sola estrella desde 9.500 millones de años luz de distancia, y esta investigación tiene el potencial de extender eso a menos de mil millones de años después del nacimiento del Universo. «

Estos resultados de observación se presentaron en Seiji Fujimoto et al. «Encuesta de agrupación de lentes de ALMA: brillante [CII] 158 μm de líneas de una galaxia Sub-L * con varias imágenes en z = 6.0719 «en Diario astrofísico el 22 de abril de 2021 y Nicolas Laporte et al. «Búsqueda de grupos de lentes de ALMA: un sistema polvoriento con varias imágenes con lentes potentes a z> 6» de Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society el 22 de abril de 2021.