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5 de febrero de 2009

Galaxias infantes pequeñas e hiperactivas

Imagen: NRAO/AUI/NSF

Investigadores del Instituto Max Planck de Astronomía han detectado que las estrellas se forman a velocidades record en la región del pequeño núcleo de una galaxia infante.

¿Cuando las galaxias nacen, se inicia también la formación de las estrellas en todas partes o únicamente dentro de una región del pequeño núcleo? Recientes mediciones de un equipo internacional liderado por científicos del Instituto Max Planck de Astronomía (MPIfA) han dado la primera evidencia concreta de que las regiones formadoras de estrellas en una galaxia infante son pequeñas pero además hiperactivas, produciendo estrellas a tasas sorprendentemente altas. Los resultados de publican en la edición del 5 de febrero del 2009 de la revista Nature.

Las galaxias, incluyendo a la Vía Láctea, están formadas por cientos de miles de millones de estrellas. ¿Cómo se forman estos sistemas galácticos gigantescos? ¿Puede una región central con las primeras estrellas crecer con el tiempo? O ¿las estrellas se forman al mismo tiempo en toda la galaxia? Un equipo internacional de investigadores del MPIfA está ahora más cerca de poder responder estas preguntas.

Los investigadores estudiaron una de las galaxias más distantes conocidas, un también llamado cuasar con la designación J1148+5251. La luz de esta galaxia tarda 12.800 millones de años en llegar a la Tierra, por lo que las observaciones astronómicas de esta galaxia la muestran como era hace 12.800 millones de años. Esto proporciona una visión de los primeros estadios de la evolución galáctica, menos de mil millones de años después del Big Bang.

Usando el interferómetro IRAM, un radiotelescopio alemán-francés-español, los investigadores fueron capaces de obtener imágenes de una manera especial: se registró la radiación infrarroja emitida por J1148+5251 a una frecuencia específica asociada con átomos de carbono ionizado, el cual es un indicador confiable de formación estelar en curso.

Las imágenes resultantes se muestran con el detalle suficiente como para permitir, por primera vez, la medición del tamaño de una región de formación estelar temprana. Con esta información, los investigadores fueron capaces de concluir que, en ese tiempo, las estrellas se formaron en la región del núcleo de J1148+5251 a tasas record- cualquier formación más rápida de estrellas podría ponerse en conflicto a las leyes de la Física.

"Esta tasa de la producción de estrellas en esta galaxia es simplemente asombrosa" señala el autor del articulo, Fabian Walter del MPIfA. "Cada año, esta región central de la galaxia produce nuevas estrellas con una masa combinada de más de mil veces la del Sol". En contraste, la tasa de formación estelar en la Vía Láctea es de una masa solar por año.

Cerca del límite físico

Desde hace algún tiempo, se sabe que las galaxias jóvenes pueden producir cantidades impresionantes de nuevas estrellas, pero toda esa actividad es sólo una parte del cuadro. Sin el conocimiento del tamaño de la región formadora de estrellas, es imposible comparar la formación estelar en las galaxias tempranas con los modelos teóricos, o con las regiones formadoras de estrellas de nuestra galaxia.

Con un diámetro de apenas 4.000 años luz (en comparación, el diámetro de la Vía Láctea es de 100.000 años luz), el núcleo formador de estrellas de J1148+5251 es extremadamente productivo. De hecho, está cercano a los límites impuestos por las leyes físicas. Las estrellas se forman cuando las nubes cósmicas de gas y polvo colapsan por su propia gravedad. Cuando las nubes colapsan, la temperatura aumenta y la presión interna inicia la construcción. Una vez que esa presión alcanzó cierto nivel todo colapso posterior es detenido y no se forman más estrellas. El resultado es un límite superior para cuántas estrellas se pueden formar en un volumen dado, en un dado período de tiempo.

Sorprendentemente, el núcleo formador de estrellas de J1148+5251 alcanza ese límite absoluto. El nivel extremo de actividad puede ser encontrado en partes de nuestra propia galaxia, pero únicamente en escala mucho menor. Por ejemplo, hay una región dentro de la Nebulosa de Orión que está tan activa como la que hemos observado. Señala Fabian Walter: "¡Pero en J1148+5251, estamos tratando con cantidades de cientos de millones de estas pequeñas regiones combinadas!" Observaciones anteriores de diferentes galaxias, habían sugerido un límite superior que es la décima parte del valor observado actualmente en J1148+5251.

Crecimiento desde adentro

La región compacta formadora de estrellas de J1148+5251 provee datos muy interesantes para los investigadores que modelan la evolución de las galaxias jóvenes. A juzgar por este ejemplo, las galaxias crecen desde dentro: en las primeras etapas de la formación de estrellas, es en la región del núcleo donde se forman más rápidamente. Presumiblemente, estas regiones del núcleo crecen con el tiempo, principalmente como resultado de colisiones y fusiones entre galaxias, resultando en los significativamente grandes volúmenes llenos de estrellas en las galaxias maduras.

La clave para estos resultados es una novedosa medición: la primera imagen resuelta de un distante cuasar con una región central formadora de estrellas, que muestra claramente el diámetro aparente de la región así como su tamaño. Las mediciones en sí resultan un desafío. A una distancia de, al menos, 13.000 millones de años luz (correspondiente a un corrimiento al rojo z = 6,42), la región formadora de estrellas con un diámetro de 4000 años luz, tiene un diámetro angular de 0,27 segundos de arco - el tamaño de una moneda de un Euro (o de un Peso argentino) vista desde una distancia de casi 18 kilómetros.

Hay, además, una ventaja adicional: las observaciones se basan en la radiación electromagnética con una longitud de onda característica, la cual está asociada a átomos de carbono ionizado. En esta longitud de onda, las regiones formadoras de estrellas de J1148+5251 brillan tanto que superan al núcleo ultra brillante del cuasar. Debido a que el Universo se expande, la radiación es desplazada al rojo, hacia longitudes de onda más largas, cuando viaja hacia la Tierra ("corrimiento al rojo cosmológico"), llegando a nuestro planeta en forma de ondas de radio con una longitud de onda de un milímetro. Pero, debido a la naturaleza general de las ondas, es más de un millar de veces más difícil resolver detalles diminutos en una longitud de onda de un milímetro que en la luz visible.

Las observaciones a las longitudes de onda y con el nivel de detalle requeridos sólo fueron posibles recientemente, en el año 2006, gracias a la mejoras en el interferómetro IRAM, un radiotelescopio localizado en los Alpes Franceses.

Telescopios futuros

El uso de la radiación característica del carbono ionizado para detectar y crear imágenes de regiones formadoras de estrellas en objetos astronómicos extremadamente distantes ha sido sugerido desde hace tiempo. Una significativa porción del programa observacional para ALMA, un conjunto de radiotelescopios actualmente en construcción en el Norte de Chile, se basa en este enfoque de la observación. Sin embargo, hasta las recientes mediciones de Fabian Walter y sus colegas, esta técnica no había demostrado ser práctica. Walter remarca, "Las primeras etapas de la evolución de las galaxias, cerca de mil millones de años después del Big Bang, podría ser un importante campo de estudio para los próximos años. Nuestras mediciones abren una nueva ventana a las regiones formadoras de estrellas en galaxias muy jóvenes".

Son autores del trabajo original: Fabian Walter, Dominik Riechers, Pierre Cox, Roberto Neri, Chris Carilli, Frank Bertoldi, Axel Weiss y Roberto Maiolino; y su título es: "A kiloparsec-scale hyper-starburst in a quasar host less than 1 gigayear after the Big Bang". Se publica en la edición de Nature del 5 de febrero de 2009.

(saa)

Más información en:
http://www.mpg.de/