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Primera detección de galaxias oscuras en el universo temprano

Posted by djdorado on Jul 13, 2012 - 12:59 PM

Reproducimos para nuestros lectores esta noticia tomada del portal web del Observatorio Austral Europeo - (http://www.eso.org/). 
Créditos:
-  Observatorio Austral Europeo - ESO-.
- Nota de prensa original:   http://www.eso.org/public/spain/news/eso1228//  . 11 de Julio de 2012.
- Artículo en Arxiv (*): El articulo puede ser consultado en Arxiv    http://arxiv.org/abs/1204.5753 .


Higgs
Esta imagen profunda muestra la región del cielo que rodea al cuásar HE0109-3518. El cuásar está marcado con un círculo rojo, cerca del centro de la imagen. La radiación energética del cuásar hace que las galaxias oscuras brillen, ayudando a los astrónomos a comprender las oscuras fases iniciales de la formación de galaxias. El débil brillo de doce galaxias oscuras está marcado con círculos azules. Las galaxias oscuras no tienen estrellas, por lo que no emiten luz que pueda ser captada por los telescopios. Esto hace que sea virtualmente imposible observarlas a no ser que sean iluminadas por una fuente de luz externa, como un cuásar situado detrás. Esta imagen combina observaciones del Very Large Telescope (preparado para detectar las emisiones fluorescentes producidas por el cuásar que ilumina las galaxias oscuras) con información de color procedente del sondeo Digitized Sky Survey 2. Crédito: ESO, Digitized Sky Survey 2 and S. Cantalupo (UCSC)

Por primera vez se han detectado galaxias oscuras, una etapa temprana de la formación de la galaxia, predicha teóricamente, pero nunca observada hasta ahora. Estos objetos son, esencialmente, galaxias ricas en gas que no contienen estrellas. Utilizando el telescopio Very Large Telescope de ESO, un equipo internacional ha detectado estos evasivos objetos observando su brillo al ser iluminados por la luz de un cuásar.

Las galaxias oscuras son pequeñas, galaxias del universo temprano ricas en gas, muy ineficientes a la hora de formar estrellas. Su existencia se predijo en las teorías que tratan la formación de galaxias y se cree que son  los ladrillos básicos de las actuales galaxias brillantes y cargadas de estrellas. Los astrónomos creen que han debido alimentar galaxias de mayor tamaño con gran parte del gas que más tarde formó las estrellas que existen actualmente.

Ya que están privadas de estrellas, estas galaxias oscuras no emiten mucha luz, lo que las hace muy difíciles de detectar. Durante años, los astrónomos han intentado desarrollar nuevas técnicas con el fin de confirmar la existencia de estas galaxias. Pequeñas bajadas de absorción en el espectro de fuentes de luz situadas detrás, han delatado su existencia. Aún así, este nuevo estudio es el primero que consigue ver estos objetos de manera directa.

La solución al problema de detectar una galaxia oscura era, simplemente, arrojar un poco de luz sobre ella.” explica Simon Lilly (ETH Zurich, Suiza), coautor del artículo. “Buscábamos el brillo fluorescente del gas en las galaxias oscuras al ser iluminadas por la luz ultravioleta de un cuásar cercano y muy brillante. La luz del cuásar hace que la galaxia oscura se encienda en un proceso similar al que se da cuando la ropa blanca se ilumina con luz ultravioleta en una discoteca.” [1]

El equipo utilizó la gran superficie colectora y la precisión del Very Large Telescope (VLT), junto con una serie de exposiciones muy largas, para detectar el débil brillo fluorescente de las galaxias oscuras. Utilizaron el instrumento FORS2 para sondear una región del cielo alrededor del brillante cuásar [2] HE 0109-3518, buscando la luz ultravioleta que emite el hidrógeno cuando está sujeto a fuertes radiaciones. Debido a la expansión del universo, cuando la luz llega al VLT, en realidad se observa como una sombra de color violeta. [3]

Tras varios años intentando detectar la emisión fluorescente de las galaxias oscuras, los resultados demuestran el potencial de nuestro método para descubrir y estudiar estos fascinantes objetos, antes ocultos a nuestros ojos,” afirmas Sebastiano Cantalupo (Universidad de California, Santa Cruz, EE.UU.), autor principal de este estudio.

El equipo detectó casi 100 objetos gaseosos que se encuentran a unos pocos millones de años luz del cuásar. Tras un cuidadoso análisis (diseñado para excluir objetos en los cuales la emisión podría ser potenciada por formación de estrellas en el interior de la galaxia, más que por la luz del cuásar), finalmente estrecharon su búsqueda, limitándola a 12 objetos. Es la identificación de galaxias oscuras en el universo temprano más convincente de las llevadas a cabo hasta el momento.

Los astrónomos también fueron capaces de determinar algunas de las propiedades de las galaxias oscuras. Estimaron que la masa del gas que contienen es de alrededor de mil millones de veces la masa del Sol, algo típico de las galaxias de baja masa ricas en gas del universo temprano. También pudieron estimar que la eficiencia en formación estelar  se reduce en un factor de más de 100 en relación a las típica galaxias con formación estelar encontradas en un estadio similar de la historia cósmica. [4]

Nuestras observaciones con el VLT nos han proporcionado una evidencia de la existencia de nubes oscuras compactas y aisladas. Con este estudio, hemos dado un paso crucial para revelar y comprender tanto las oscuras fases iniciales de la formación estelar, como el proceso por el cual adquieren su gas”, concluye Sebastiano Cantalupo.

El espectrógrafo de campo integral MUSE, que iniciará su fase de puesta a punto en el VLT en 2013, será una herramienta extremadamente poderosa para el estudio de estos objetos.


Notas

[1] La fluorescencia es la emisión de luz por parte de una sustancia que, a su vez, es iluminada por una fuente de luz. En la mayor parte de los casos, la luz emitida tiene una longitud de onda mayor que la fuente de luz. Por ejemplo, las lámparas fluorescentes transforman la radiación  ultravioleta — invisible para nosotros — en luz visible. La fluorescencia aparece de forma natural en algunos componentes, como algunas rocas o minerales, pero también puede añadirse de forma intencionada, como en los detergentes, que contienen fluorescentes químicos para hacer que la ropa blanca parezca más brillante bajo la luz normal.

[2] Los cuásares son galaxias distantes muy brillantes que se cree contienen un agujero negro supermasivo en su centro, el cual los alimenta. Su brillo los convierte en potentes faros que pueden ayudar  a iluminar las áreas circundantes, dando a conocer la era en la que las primeras estrellas y galaxias se formaban a partir del gas primordial.

[3] Esta emisión del hidrógeno es conocida como emisión Lyman-alfa, y se produce cuando los electrones de los átomos de hidrógeno saltan del segundo subnivel al nivel más bajo de energía. Es un tipo de luz ultravioleta. Debido a la expansión del universo, la longitud de onda de la luz que proviene de estos objetos va desplazándose en su camino hacia nosotros. Cuanta mayor sea la distancia, más se desplazará la longitud de onda. Dado que el rojo es la longitud de onda más larga visible a nuestros ojos, este proceso es literalmente un desplazamiento de la longitud de onda hacia el extremo rojo del espectro — de ahí el nombre ‘desplazamiento al rojo’ (‘redshift’ en inglés). El cuásar HE 0109-3518 tiene un desplazamiento al rojo o redshift de z = 2.4, y la luz ultravioleta de las galaxias oscuras se mueve dentro del espectro visible. Se diseñó un filtro de banda estrecha específico para aislar una longitud de onda concreta de la luz a la cual se desplazaba la emisión fluorescente. El filtro se centró en los 414,5 nanometros con el fin de capturar la emisión Lyman-alfa desplazada a z=2.4 (esto corresponde a una sombra del violeta) y tiene un paso de banda de solo 4 nanometros.

[4] La eficiencia en formación estelar es la masa de nuevas estrellas formadas según la masa de gas disponible para formar estrellas. Se descubrió que estos objetos necesitarían más de cien mi millones de años para convertir su gas en estrellas. Estos resultados concuerdan con recientes estudios teóricos que han sugerido que los halos de baja masa, ricos en gas, con alto desplazamiento al rojo, pueden tener una tasa de formación estelar muy baja como consecuencia de un bajo contenido en metales.

Esta investigación fue presentada en el artículo titulado "Detección de galaxias oscuras y filamentos circumgalácticos iluminados por fluorescencia por un cuásar con desplazamiento al rojo z=2,4 (Detection of dark galaxies and circum-galactic filaments fluorescently illuminated by a quasar at z=2.4)", por Cantalupo et al., que aparecerá en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

El equipo está compuesto por Sebastiano Cantalupo (Universidad de California, Santa Cruz, EE.UU.), Simon J. Lilly (ETH Zurich, Suiaza) y Martin G. Haehnelt (Instituto Kavli de Cosmología, Cambridge, Reino Unido).



*Articulo en Arxiv: "Detection of dark galaxies and circum-galactic filaments fluorescently illuminated by a quasar at z=2.4"

ABSTRACT

Detection of dark galaxies and circum-galactic filaments fluorescently illuminated by a quasar at z=2.4

Sebastiano Cantalupo, Simon J. Lilly, Martin G. Haehnelt

(Submitted on 25 Apr 2012 (v1), last revised 19 Jun 2012 (this version, v2))

A deep narrow-band survey for Ly-alpha emission carried out on the VLT-FORS2 has revealed 98 Ly-alpha candidates down to a flux limit of 4.e-18 erg/s/cm^2 in a volume of 5500 comoving Mpc^3 at z=2.4 centered on the hyperluminous quasar HE0109-3518. The properties of the detected sources in terms of their i) equivalent width distribution, ii) luminosity function, and iii) the average luminosity versus projected distance from the quasar, all suggest that a large fraction of these objects have been fluorescently "illuminated" by HE0109-3518. This conclusion is supported by comparison with detailed radiative transfer simulations of the effects of the quasar illumination. 18 objects have a rest-frame Equivalent Width (EW0) larger than 240A, the expected limit for Ly-alpha emission powered by Population II star formation and 12 sources among these do not have any continuum counterpart in a deep V-band imaging of the same field. For these, a stacking analysis indicates EW0>800A, effectively ruling out Ly-alpha powered by internal star formation. These sources are thus the best candidates so far for proto-galactic clouds or "dark" galaxies at high-redshift, whose existence has recently been suggested by several theoretical studies. Assuming they are mostly ionized by the quasar radiation, we estimate that their gas masses would be about 10^9 Msun implying that their star formation efficiencies (SFE) are less than 1.e-11 yr^-1 several times below the SFE of the most gas-rich dwarf galaxies locally, and five hundred times lower than typical massive star-forming galaxies at z~2. We have also discovered extended, filamentary gas, also likely illuminated by the quasar, around some of the brightest continuum-detected sources with EW0>240A. This emission is compatible with the expectations for circum-galactic cold streams but other origins, including tidal stripping, are also possible.

 

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