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Astrónomos del INAOE explican el origen de los hoyos en la galaxia fantasma observada por Telescopio Espacial James Webb

Santa María Tonantzintla, Puebla, a 9 de marzo de 2023. Utilizando una de las primeras imágenes del Telescopio Espacial James Webb (JWST por sus siglas en inglés), el cual inició operaciones científicas hace tan solo siete meses, así como de otros instrumentos, astrónomos del Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica (INAOE), han podido explicar el origen de los hoyos que dan a la galaxia fantasma su enigmática apariencia.

Los resultados de la investigación, liderada por el Dr. Divakara Mayya, investigador del INAOE, se reportan en el artículo “The stellar population responsible for a kiloparsec size superbubble seen in the JWST “phantom” image of NGC 628”, el cual será publicado próximamente en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Los doctores Divakara Mayya, Javier Zaragoza y Jairo Alzate. Foto: archivo INAOE.

El Dr. Divakara Mayya explica que la galaxia fantasma es una galaxia espiral cercana a nosotros, está a tan sólo 30  millones de años luz. La imagen tomada por el JWST resalta por estar llena de hoyos, o zonas huecas de materia. Entre estas, destaca un enorme hoyo cuyo diámetro mide alrededor de tres mil años luz.

El Dr. Mayya relata que “en realidad los hoyos son burbujas interestelares, las cuales se forman de manera natural en las zonas de formación estelar. Vientos veloces que salen de estrellas junto con explosiones de supernovas empujan la materia alrededor creando estructuras huecas rodeadas de materia apilada. Lo que nos sorprendió al ver la imagen del JWST es el tamaño tan grande de una de las burbujas. Nos preguntamos: ¿Por qué una burbuja es tan grande con respeto a las demás? ¿Será posible que la burbuja grande esté generada por el mismo proceso como las demás burbujas? Para contestar estas preguntas realizamos un estudio detallado de esta gran burbuja en diferentes frecuencias. Las estrellas se forman en cúmulos por lo que sí está creada por vientos estelares y supernovas, debemos poder identificar un cúmulo de estrellas a quien pertenecían las estrellas muertas. Armamos un equipo de investigadores, todos vinculados al INAOE, con el propósito de encontrar este supuesto cúmulo.”

El Dr. Javier Zaragoza, catedrático Conacyt en el INAOE, explica que “siendo una galaxia cercana y muy conocida es observada por varios científicos usando los mejores instrumentos y telescopios del mundo, tales como MUSE en el VLT de ESO,  ALMA y Telescopio Espacial Hubble (HST por sus siglas en inglés). Nosotros usamos estos datos que están disponibles a la comunidad para estudiar el gas caliente y el frío y en todos vimos esta estructura de burbuja, pero la burbuja resalta mejor en las imágenes de James Webb,  gracias a la nitidez y su capacidad de ver ondas infrarrojas. Establecimos que la burbuja por dentro está completamente hueca de gas y que la materia apilada en la orilla de la burbuja está predominantemente en fase molecular y está creciendo en tamaño”.

Dr. Luis Lomelí Núñez. Crédito: cortesía.

El Dr. Luis Lomelí Núñez, egresado del INAOE y actualmente investigador postdoc en la Universidad Federal de Rio de Janeiro en Brasil, fue uno de los responsables de catalogar todas las estrellas en la superburbuja y alrededores con la intención de buscar el supuesto cúmulo responsable: “En astronomía siempre queremos catalogar los objetos y analizar sus colores. En los distintos filtros podemos ver estrellas de distintas edades. Por ejemplo, en una imagen tomada en el filtro azul se pueden ver estrellas azules, y en un filtro rojo las estrellas rojas. Sabemos que las estrellas azules son más jóvenes que las estrellas rojas. Haciendo catálogos de estrellas en las imágenes tomadas por el HST y JWST podemos determinar las edades de las estrellas que radican dentro de la burbuja.”

Imagen tomada por el JWST de la galaxia fantasma (NGC628), que se encuentra a una distancia de 30 millones de años luz. La imagen se destaca por mostrar muchos hoyos, con el hoyo más grande alcanzando un tamaño de 3000 años luz. El grupo del INAOE estudió este hoyo grande para entender los mecanismos que crean hoyos en esta galaxia. Encontraron que el hoyo grande en realidad es una burbuja interestelar que está creciendo con un ritmo de 12 kilómetros por segundo. Toda la materia que estaba dentro de la burbuja fue apilada a la orilla de la burbuja. Diseño: Divakara Mayya. Crédito: James Webb Space Telescope.

El Dr. Jairo Alzate, investigador postdoctoral en el INAOE, abunda: “Con base en las imágenes de la zona de la burbuja, en diferentes filtros o longitudes de onda, se seleccionaron cinco muestras. La muestra de la burbuja y cuatro muestras donde no está la burbuja, para contrastar entre la población de estrellas que está dentro de la burbuja y la población afuera de la misma. El catálogo de estrellas que creamos nos dió el  brillo en los filtros azul y rojo del HST. Cuando tenemos brillos en dos filtros diferentes se calcula el color estelar -diferencia entre brillos- y la luminosidad -brillo corregido por distancia. Entonces se grafican en un diagrama cartesiano y se comparan con modelos teóricos de evolución estelar, los cuales pueden predecir cuál es la luminosidad y el color esperados de una estrella a una edad cualquiera. Este es un método clásico para determinar la edad o etapa evolutiva de las estrellas, y a través de éste encontramos que  dentro de  la burbuja hay una población azul y brillante, lo que indicaría una población más joven respecto a  las cuatro muestras de referencia. Teniendo esta información pudimos estimar la historia de la formación estelar dentro del hoyo gigante de NGC 628. Observamos que todas las estrellas ubicadas dentro de la burbuja no tienen la misma edad, sino que sus edades varían entre 5 y 50 millones de años. Este intervalo de edad es la justa edad para que hubiera ocurrencias de  supernovas, por lo que la búsqueda de las estrellas que dieron lugar a la burbuja terminó de manera exitosa.”

Las burbujas se forman cuando estrellas que tienen más de 10 veces masa del Sol explotan como supernova. Si esto fuera la razón para la creación de la burbuja gigante en NGC628, debemos poder identificar unas estrellas azules dentro de la burbuja. Complementamos las imágenes del JWST con las del HST para buscar estas estrellas azules. La figura confirma la detección de estas estrellas azules. El número de estrellas detectadas indican que han explotado cientos de supernovas dentro de la burbuja en los últimos 50 millones de años y que la energía liberada de estas estrellas es suficiente para la creación de la burbuja. Es la primera vez que se encuentran las estrellas responsables de la creación de la burbuja. Diseño.: Divakara Mayya. Crédito: James Webb Telescope y Hubble Space Telescope.

El Dr. Divakara Mayya resume: “Encontramos las estrellas responsables de la creación del  vacío dentro de la burbuja. Sin embargo estas estrellas no pertenecen a un cúmulo como esperábamos, sino que están muy dispersas en el espacio. La idea que propusimos para explicar esto es que todo empezó con la formación de unas estrellas en el centro, y cuando algunas de estas murieron como supernovas empezaron a empujar el gas que está alrededor, este gas apilado formó una segunda generación de estrellas. Estas nuevas estrellas al morir como supernova empezaron una tercera ola de formación de estrellas. El ciclo de formación de estrellas, explosión de supernovas y apilamiento del gas continuó por 50 millones de años, vaciando durante este proceso todo el gas que estaba adentro y llenando este espacio con estrellas. Este escenario que propusimos no es tan común, porque se ha discutido mucho que las estrellas que mueren forman nuevas estrellas pero sólo una vez, y aquí estamos proponiendo que este proceso siguió de manera coordinada para varios ciclos a lo largo de 50 millones de años para que crezca la burbuja al tamaño actual”.

Para mas detalles de este trabajo pueden consultar https://arxiv.org/abs/2302.12704