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

Imagen del cúmulo de galaxias RXCJ0600-2007 capturada por el Telescopio Espacial Hubble de la NASA / ESA combinada con imágenes de lentes gravitacionales de la galaxia distante RXCJ0600-z6, a 12.400 millones de años luz de distancia, observada por ALMA (mostrada en rojo). Debido al efecto de lente gravitacional del cúmulo de galaxias, la imagen de RXCJ0600-z6 se amplió y amplió y pareció estar dividida en tres o más partes. (Crédito de la foto: ALMA (ESO / NAOJ / NRAO), Fujimoto et al., NASA / ESA Hubble Space Telescope)

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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 siete por ciento de su edad actual. Gracias a la ayuda de la lente gravitacional, el equipo pudo por primera vez estudiar la naturaleza de las “galaxias normales” pequeñas y oscuras en el Universo temprano que son representativas de la población principal de las primeras galaxias, lo que mejora enormemente nuestra comprensión. de las etapas iniciales de la evolución de las galaxias.

“Muchas de las galaxias que existían en el universo temprano eran tan pequeñas que su brillo está muy por debajo del límite de los telescopios más grandes actualmente en la Tierra y en el espacio, lo que dificulta el estudio de sus propiedades y estructura interna”, dice Nicolas Laporte a Kavli Senior Fellow de la Universidad de Cambridge. “Sin embargo, la luz de la galaxia llamada RXCJ0600-z6 ha sido magnificada en gran medida por lentes gravitacionales, lo que la convierte en un objetivo ideal para estudiar las propiedades y la estructura de las galaxias bebés típicas”.

Las lentes gravitacionales son 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 en primer plano. El nombre “lentes gravitacionales” 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 amplifica y sus formas se estiran. En otras palabras, es un “telescopio natural” que flota en el espacio.

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El equipo de ALMA Lensing Cluster Survey (ALCS) utilizó ALMA para buscar un gran número de galaxias en el universo temprano magnificadas por lentes gravitacionales. Al combinar el poder de ALMA con la ayuda de telescopios naturales, los investigadores pueden descubrir y estudiar galaxias más débiles.

¿Por qué es importante estudiar 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 anteriormente se observaron varias galaxias en el universo temprano, estas se limitaron a los objetos más masivos y, por lo tanto, a las galaxias menos representativas en el universo temprano, como eran capaces los telescopios. La única forma de comprender la formación estándar de las primeras galaxias y obtener una imagen completa de la formación de galaxias es centrarse en las galaxias más débiles y numerosas.

El equipo de ALCS llevó a cabo un extenso programa de observación 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 podrían causar lentes gravitacionales. Uno de estos cúmulos, llamado RXCJ0600-2007, está hacia la constelación de Lepus y tiene una masa 1.000 billones de veces la del Sol. El equipo descubrió una única galaxia distante afectada por la lente gravitacional de este telescopio natural. ALMA descubrió la luz de los iones de carbono y el polvo de estrellas en la galaxia y, junto con los datos tomados con el Telescopio Gemini, determinó que la galaxia fue aproximadamente 900 millones de años después del Big Bang (hace 12,9 mil millones de años). Un análisis más detallado de estos datos mostró que parte de esta fuente es 160 veces más brillante de lo que se ve por sí sola.

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Al medir con precisión la distribución de masa del cúmulo de galaxias, es posible revertir el efecto de lente gravitacional y restaurar la apariencia original del objeto agrandado. Al combinar datos del Telescopio Espacial Hubble y del Very Large Telescope del Observatorio Europeo Austral con un modelo teórico, el equipo logró 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 una centésima parte del tamaño de nuestra propia galaxia, la Vía Láctea.

Lo que sorprendió al equipo es que el RXCJ0600-z6 está girando. Tradicionalmente, se creía que el gas en las galaxias jóvenes tiene un movimiento caótico aleatorio. Recientemente, ALMA descubrió varias galaxias jóvenes giratorias que desafiaban el marco teórico tradicional, pero eran varios órdenes de magnitud más brillantes (más grandes) que RXCJ0600-z6.

“Nuestro estudio muestra por primera vez que podemos medir directamente el movimiento interno de galaxias tan débiles (menos masivas) en el universo temprano y compararlo con las predicciones teóricas”, dice Kotaro Kohno, profesor de la Universidad de Tokio y director de el equipo de la ALCS.

“El hecho de que el RXCJ0600-z6 tenga un factor de aumento muy alto también aumenta las expectativas para la investigación futura”, explica Seiji Fujimoto, becario DAWN del Instituto Niels Bohr. “Esta galaxia fue seleccionada entre cientos para ser observada por el Telescopio Espacial James Webb (JWST), el telescopio espacial de próxima generación que se lanzará este otoño. A través de observaciones conjuntas con ALMA y JWST, revelaremos las propiedades del gas y las estrellas en una galaxia bebé y sus movimientos internos. Cuando el telescopio de 30 metros y el telescopio extremadamente grande estén listos, es posible que puedan detectar cúmulos de estrellas en la galaxia y posiblemente incluso resolver estrellas individuales. Hay un ejemplo de una lente gravitacional que se ha utilizado para observar una sola estrella a 9.500 millones de años luz de distancia, y esta investigación tiene el potencial de extenderla a menos de mil millones de años después del nacimiento del universo. “

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Estos resultados de observación se publicaron en Seiji Fujimoto et al. “Encuesta de agrupación de lentes de ALMA: el infierno [CII] 158 μm líneas de una galaxia Sub-L * repetidamente fotografiada en z = 6.0719 ”en el Astrophysical Journal el 22 de abril de 2021 y Nicolas Laporte et al. “ALMA Lensing Cluster Survey: Un sistema polvoriento altamente lenticular, mapeado de forma múltiple en z> 6” en el boletín mensual de la Royal Astronomical Society del 22 de abril de 2021.

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