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El GTM detecta emisión de polvo en una galaxia a 24 mil millones de años luz

Santa María Tonantzintla, a 23 de marzo.- Un equipo internacional de investigadores, utilizando el Gran Telescopio Milimétrico Alfonso Serrano (GTM), ha logrado medir de manera directa la emisión del polvo de una galaxia de luminosidad intrínseca moderada a más de 24 mil millones de años luz de distancia, es decir, cuando el Universo tenía apenas once por ciento de su edad actual.

Con una masa estelar equivalente a 6.9 mil millones de masas solares, esta galaxia lejana es una de las pocas con relativamente baja masa a las cuales se les ha detectado la emisión del polvo, resalta el equipo de investigadores en un artículo aceptado para su publicación en la revista The Astrophysical Journal.

Estos resultados podrían desafiar los actuales modelos que explican la formación de polvo en las etapas tempranas de formación del Universo.

El grupo de investigadores liderado por la Dra. Alexandra Pope, de la Universidad de Massachusetts Amherst, y el Dr. Alfredo Montaña, catedrático CONACYT del Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE), utilizó la cámara AzTEC del GTM para hacer imágenes profundas de dos cúmulos de galaxias incluidos en el programa Frontier Fields (FF) del Telescopio Espacial Hubble (HST). Dicho programa consiste en observaciones muy profundas en el óptico y el infrarrojo cercano de seis cúmulos de galaxias y seis campos sin sesgo aledaños como referencia, y su principal objetivo científico es identificar y estudiar galaxias débiles a altos corrimientos al rojo que estén amplificadas por los efectos de lentes gravitacionales.

Imagen óptica obtenida con el Telescopio Espacial Hubble del cúmulo de galaxias MACSJ0717.5+3745. Los cuadros rojos indican la posición de las tres imágenes de la galaxia, amplificada por efectos de lente gravitacional, cuya emisión de polvo fue detectada por el GTM. Los paneles de la derecha muestran un acercamiento a dichas imágenes. Imagen original de la NASA, ESA y el equipo Frontier Fields del HST (STScI), composición de colores de Wikimedia Commons/Judy Schmidt, anotaciones y paneles agregados por A. Montaña.

"Hasta hace poco los telescopios milimétricos existentes estaban limitados a observar  galaxias lejanas que tuvieran alrededor de un billón de luminosidades solares o más. Estas galaxias son exóticas en el sentido de que no hay tantas, no son representativas del grueso de las galaxias que hay en el Universo. En la actualidad, el interferómetro ALMA, en Chile, tiene la sensibilidad suficiente para observar galaxias lejanas y normales, pero solo ha detectado polvo en seis. En nuestro caso, gracias a los efectos de lentes gravitacionales, estamos detectando una galaxia con una luminosidad menor al límite que se podría ver normalmente con el GTM. Estamos viendo una galaxia más representativa de la población de galaxias que es responsable de la formación de la mayoría de las estrellas del Universo. Con el GTM, y aprovechando estos efectos de lentes gravitacionales, podemos empezar a estudiar la población de galaxias más típica que ha dominado la formación estelar en el Universo", explica en entrevista el Dr. Alfredo Montaña.

El astrofísico añade que esta galaxia está a 24 mil millones de años luz de nosotros y tiene un alto corrimiento al rojo de 4.1. El corrimiento es un indicador de la distancia.

El Dr. Montaña explica que el potencial gravitacional de las estructuras masivas del Universo produce deformaciones del espacio-tiempo, y desvía la trayectoria de los rayos de luz de galaxias lejanas. Esto produce un efecto semejante al de una lente, amplificando las imágenes de galaxias lejanas e inclusive produciendo múltiples imágenes de una sola galaxia, y por ello se les conoce como lentes gravitacionales. Debido a este efecto, los cúmulos de galaxias masivos pueden considerarse como telescopios cósmicos naturales.

Con el GTM es posible observar la actividad de formación estelar que ocurre en regiones oscurecidas por grandes cantidades de polvo, las cuales son inaccesibles para los telescopios ópticos. "Con la superficie actual de 32 metros de diámetro del GTM, estamos limitados a detectar galaxias muy luminosas mayores a 600 mil millones de veces la luminosidad del Sol y que son relativamente exóticas o raras. Con el fin de superar este límite, y a manera de proyecto piloto, propusimos observar dos cúmulos de galaxias masivos del programa FF, cuyos efectos gravitacionales nos permiten detectar y estudiar galaxias con luminosidades moderadas, y que son más representativas de la población de galaxias que domina la historia de formación estelar a lo largo de la historia del Universo", añade el Dr. Montaña.

En el mapa de uno de los cúmulos observados con el GTM (MACS J0717.5+3745), el grupo de investigadores identificó una fuente denominada MACS0717_Az9 notando que, mediante una comparación con los mapas en el óptico del Hubble, corresponde a una de tres imágenes de una galaxia que se encuentra detrás del cúmulo, y que está siendo fuertemente amplificada por efectos de lente gravitacional. Un análisis más minucioso del mapa de AzTEC permitió detectar la señal correspondiente a las otras dos imágenes del sistema triple. Combinando las observaciones a 1.1 milímetros del GTM con las de otros telescopios a longitudes de onda diferentes, y considerando la alta amplificación gravitacional debido al cúmulo, el grupo de investigadores estimó que esta galaxia tiene una tasa de formación estelar obscurecida por polvo de 14.6 masas solares al año, lo cual representa entre el 75 y 80 por ciento de su actividad de formación estelar total.

Además, los indicios de bajo contenido de metales de MACS0717_Az9, comparados con su alto contenido de polvo, podrían desafiar los modelos que explican la formación del polvo en etapas tempranas del Universo. Con estudios como éste, el GTM en su configuración de 50 metros de diámetro jugará un papel crucial en el entendimiento de la formación de metales y polvo en las etapas evolutivas tempranas de las galaxias.

Los resultados de estas observaciones con el GTM fueron aceptados para su publicación en la revista Astrophysical Journal (ApJ). El artículo se titula EARLY SCIENCE WITH THE LARGE MILLIMETER TELESCOPE: DETECTION OF DUST EMISSION IN MULTIPLE IMAGES OF A NORMAL GALAXY AT Z > 4 LENSED BY A FRONTIER FIELDS CLUSTER - y sus autores son  Alexandra Pope, Alfredo Montaña, Andrew Battisti, Marceau Limousin, Danilo Marchesini, Grant W. Wilson, Stacey Alberts, Itziar Aretxaga, Vladimir Avila-Reese, José Ramón Bermejo-Climent, Gabriel Brammer, Hector Bravo-Alfaro, Daniela Calzetti, Ranga-Ram Chary, Ryan Cybulski, Mauro Giavalisco, David Hughes, Erin Kado-Fong, Erica Keller, Allison Kirkpatrick, Ivo Labbe, Daniel Lange-Vagle, James Lowenthal, Eric Murphy, Pascal Oesch, Daniel Rosa Gonzalez, David Sánchez-Argüelles, Heath Shipley, Mauro Stefanon, Olga Vega, Katherine Whitaker, Christinaâ¨C. Williams, Min Yun, Jorge Zavala, Milagros Zeballos. El artículo está disponible en https://arxiv.org/abs/1703.04535