Estudiando los brotes de crecimiento de galaxias en el universo primitivo con Roman de la NASA


En el Lejano Oeste estadounidense, el mediodía era un momento de duelos y enfrentamientos. Cuando se trata de la historia del universo, el mediodía cósmico presentó fuegos artificiales de un tipo diferente. Unos 2 a 3 mil millones de años después del Big Bang, la mayoría de las galaxias experimentaron un crecimiento acelerado, formando estrellas a un ritmo cientos de veces mayor que el que vemos hoy en nuestra propia galaxia, la Vía Láctea. Cuando se lance en mayo de 2027, el telescopio espacial romano Nancy Grace de la NASA promete brindar nuevos conocimientos sobre el apogeo de la formación estelar.

Esta imagen del Hubble presenta cuatro de las miles de galaxias que se encuentran dentro del Campo Ultra Profundo del Hubble. Todas las galaxias resaltadas muestran evidencia de formación estelar vigorosa (regiones azules llenas de estrellas jóvenes y calientes). En los recuadros de la derecha, se muestra el espectro infrarrojo cercano de cada galaxia. Al examinar el espectro de una galaxia, puede aprender sobre las edades de sus estrellas, su historia de formación estelar, cuántos elementos químicos pesados contiene y más. Al entrar en operaciones en 2027, el telescopio espacial romano Nancy Grace podrá recopilar espectros de cada objeto en su campo de visión, que es más de 100 veces mayor que el del Hubble. Como resultado, permitirá estudios de galaxias raras de un período conocido como «mediodía cósmico», cuando muchas galaxias experimentaron crecimientos acelerados. Crédito: Ciencia: NASA, ESA, Casey Papovich (TAMU); Procesamiento de imágenes: Alyssa Pagan (STScI)

El mediodía cósmico es un momento importante en la historia del universo porque dio forma a cómo son las galaxias hoy. Pero quedan muchas preguntas sin respuesta. ¿Por qué la formación de estrellas alcanzó su punto máximo y luego disminuyó? ¿Por qué algunas galaxias de repente dejaron de formar estrellas mientras que otras se desvanecieron gradualmente? ¿Qué tan importantes fueron las influencias locales como el número de vecinos galácticos en la configuración de esta evolución?

Para responder a estas preguntas, los astrónomos necesitan una muestra abundante de galaxias de ese período de tiempo para estudiar. El poder de Roman radicará en su capacidad para capturar miles de objetos de interés en una sola vista. Con una encuesta tan grande, los científicos no tendrán que elegir sus objetivos preferidos por adelantado, lo que puede generar sesgos no deseados.

«Con un campo de visión 100 veces más amplio que el Telescopio Espacial Hubble, Roman puede cambiar el paisaje astronómico siendo tan eficiente», dijo Kate Whitaker, profesora asistente de Astronomía en la Universidad de Massachusetts en Amherst. La investigación de Whitaker se centra en estudiar la regulación de la formación de estrellas y el apagado en galaxias masivas en el universo primitivo.

El amplio campo de visión de Roman también permitirá a los astrónomos poner galaxias individuales en contexto al ver cómo su crecimiento acelerado y su posterior desaceleración varían según su ubicación dentro de la «red» cósmica, la estructura a gran escala del universo.

«Tomas una imagen y obtienes todo. Veremos qué y dónde están los objetos interesantes», dijo Casey Papovich, profesor de astronomía en la Universidad Texas A&M en College Station, Texas. La investigación de Papovich incluye cuantificar el crecimiento y el ensamblaje de la masa estelar en las galaxias del universo primitivo.

Más allá de las imágenes

Si bien las imágenes pueden ayudar a los astrónomos a detectar galaxias de interés, se puede obtener mucha más información al difundir la luz de una galaxia en un espectro. Papovich, con Vicente (Vince) Estrada-Carpenter de la Universidad de St. Mary en San Antonio, Texas, y sus colegas, han sido pioneros en una técnica para extraer la luz de todas las estrellas de una galaxia combinada.

Al examinar el espectro de una galaxia, puedes aprender sobre las edades de sus estrellas, su historia de formación estelar, cuántos elementos químicos pesados contiene y más. Al hacer esto para una gran cantidad de galaxias tempranas, los astrónomos pueden aprender sobre los procesos que impulsaron y finalmente pusieron fin a este período de rápido crecimiento.

El poder de Roman se puede aumentar aún más al observar galaxias distantes cuya luz ha sido distorsionada por un fenómeno llamado lente gravitacional. La gravedad de un cúmulo de galaxias intermedio puede magnificar e iluminar la luz de una galaxia más distante, lo que permite a los astrónomos estudiar la galaxia de fondo con más detalle del que estaría disponible de otro modo.

Whitaker ya está utilizando esta técnica con el Hubble para estudiar los núcleos de las galaxias jóvenes en comparación con sus alrededores. Este trabajo busca determinar si la formación de estrellas se cierra de afuera hacia adentro o de adentro hacia afuera, es decir, desde las afueras de la galaxia hacia su centro o viceversa.

«La extinción de galaxias, un final repentino de la formación de estrellas, puede ser un proceso rápido en escalas de tiempo cosmológicas. Como resultado, atrapar una en el acto es difícil porque son muy raras», dijo Whitaker. «Roman nos ayudará a encontrar esos raros ejemplos».

Si bien la vista espacial de Roman proporcionará una excelente nitidez y estabilidad, los observatorios terrestres también entrarán en juego para estudiar el mediodía cósmico. Por ejemplo, el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array puede medir el contenido de gas y polvo de galaxias distantes. Y los futuros telescopios de la clase de 30 metros podrán medir detalles exquisitos en los espectros de galaxias debido a su capacidad para recolectar mucha luz.

«Los observatorios romanos y terrestres se complementarán entre sí. Roman identificará y caracterizará por sí solo y de manera eficiente las galaxias más interesantes en grandes campos de visión. Luego podremos volver con telescopios terrestres para estudiarlas con más detalle». explicó Papovich.

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