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Artículo publicado por Kimm Fesenmaier el 5 de agosto de 2015 en Caltech

Un equipo de astrónomos liderados por Caltech ha descubierto un gigantesco disco de gas giratorio a 10 000 millones de años luz de distancia, una galaxia en formación que recibe un suministro de gas primordial frío procedente del Big Bang. Usando el instrumento Cosmic Web Imager (CWI), diseñado y construido en Caltech, y situado en el Observatorio Palomar, los investigadores pudieron tomar imágenes de la protogalaxia, y hallaron que está conectada a un filamento del medio intergaláctico, la red cósmica compuesta de gas difuso y que zigzaguea entre las galaxias y se extiende por todo el universo.

El hallazgo proporciona el apoyo observacional más sólido, hasta el momento, para lo que se conoce como modelo de formación de galaxias de flujo frío. Este modelo sostiene que, en los inicios del universo, un gas relativamente frío fluía desde la red cósmica directamente hacia las galaxias, avivando una rápida formación estelar.

El artículo que describe los hallazgos y cómo fueron posibles gracias al CWI, actualmente se encuentra en línea, y se publicará en el ejemplar impreso del 13 de agosto de la revista Nature.

Protogalaxia

Protogalaxia

“Ésta es la primera prueba sólida sobre cómo se forman las galaxias”, dice Christopher Martin, profesor de Física en Caltech, investigador principal en CWI, y autor principal del nuevo artículo. “Aunque las simulaciones y el trabajo teórico han subrayado cada vez más la importancia de los flujos fríos, carecíamos de pruebas observacionales de su papel en la formación de galaxias”.

El disco protogaláctico que ha identificado el equipo se extiende a lo largo de unos 400 000 años luz, unas cuatro veces más grande que nuestra Vía Láctea. Está situado en un sistema dominado por dos cuásares, colocándose el más cercano de los mismos, UM287, de tal modo que su emisión se lanza como el flash de una cámara, ayudando a iluminar el filamento de red cósmica que alimenta de gas a la protogalaxia.

El año pasado, Sebastiano Cantalupo, entonces en la Universidad de California en Santa Cruz (ahora en el ETH Zurich) y sus colegas, publicaron un artículo, también en Nature, anunciando el descubrimiento de lo que pensaban que era un gran filamento cerca de UM287. La característica que observaron era más brillante de lo que debería haber sido si realmente fuese un único filamento. Parecía que hubiese algo más allí.

En septiembre de 2014, Martin y sus colegas, incluyendo a Cantalupo, decidieron continuar las observaciones del sistema usando CWI. Como espectrógrafo de campo integral, CWI permitió al equipo recopilar imágenes alrededor de UM287 en cientos de distintas longitudes de onda simultáneamente, revelando los detalles de la composición, distribución de masa, y velocidad del sistema.

Martin y sus colegas se centraron en un rango de longitudes de onda alrededor de una línea de emisión en el ultravioleta, conocida como línea Lyman-alfa. Dicha línea, una huella del gas hidrógeno atómico, se usa normalmente en astronomía como indicador de la materia primordial.

Los investigadores recopilaron una serie de imágenes espectrales, las cuales combinaron para formar un mapa el múltiples longitudes de onda de una zona del cielo alrededor de los dos cuásares. Estos datos delinearon las áreas donde el gas emitía en la línea Lyman-alfa, e indicaron la velocidad a la que se movía el gas respecto al centro del sistema.

“Las imágenes muestran claramente que existe un disco en rotación, puede verse que un lado se mueve acercándose hacia nosotros, mientras que otro se aleja. Y también puede apreciarse que hay un filamento que se extiende más allá del disco”, dice Martin. Las medidas indican que el disco está girando a una tasa de unos 400 kilómetros por segundo, algo más rápidamente que la velocida de rotación de la Vía Láctea.

“El filamento tiene una velocidad más o menos constante. Básicamente, está canalizando gas hacia el disco a una ritmo fijo”, señala Matt Matuszewski (PhD ’12), científico instrumental en el grupo de Martin, y coautor del artículo. “Una vez que el gas se fusiona con el disco dentro del halo de materia oscura, es distribuido por el gas en rotación y la materia oscura del halo”. La materia oscura es una forma de materia que no podemos ver, y que se cree que forma el 27% del universo. Se piensa que las galaxias se forman dentro de grandes halos de materia oscura.

Las nuevas observaciones y medidas proporcionan la primera confirmación directa de lo que se conoce como modelo de flujo frío de formación de galaxias.

Esto modelo, fuente de un acalorado debate desde 2003, se opone al viejo modelo estándar de formación de galaxias. El modelo estándar decía que, cuando colapsan los halos de materia oscura, atraen una gran cantidad de materia normal en forma de gas junto con ellos, calentándola a una temperatura extremadamente elevada. El gas, entonces, se enfría muy lentamente, proporcionando un flujo regular, aunque lento, de gas frío que puede formar estrellas en las galaxias en crecimiento.

Este modelo parecía correcto hasta 1996, cuando Chuck Steidel, y el profesor de Astronomía en Caltech Lee A. DuBridge, descubrieron una lejana población de galaxias que producían estrellas a un ritmo muy alto sólo 2000 millones de años tras el Big Bang. El modelo estándar no puede proporcionar el prodigioso suministro de combustible para estas galaxias en rápida formación.

El modelo de flujo frío proporcionó una solución potencial. Los teóricos sugirieron que el gas relativamente frío, suministrado por los filamentos de la red cósmica, fluye directamente hacia las protogalaxias. De esto modo puede condensarse rápidamente para formar estrellas. Las simulaciones demuestran que cuando cae el gas, contiene una gran cantidad de momento angular, o giro, y forma grandes discos de rotación.

“Ésta es una predicción directa del modelo de flujo frío, y es exactamente lo que vemos, un gran disco con mucho momento angular que podemos medir”, comenta Martin.

Phil Hopkins, profesor ayudante de astrofísica teórica enCaltech, que no estuvo implicado en el estudio, encuentra el nuevo descubrimiento “muy convincente”.

“Como evidencia de que existe una protogalaxia conectada a la red cósmica, y que podemos detectarla, es realmente apasionante”, comenta. “Por supuesto, ahora querremos saber un millón de cosas sobre qué está haciendo realmente el gas que cae a las galaxias, por lo que estoy seguro de que habrá continuación del estudio”.

Martin señala que el equipo ya ha identificado dos discos adicionales que parecen estar recibiendo gas directamente de filamentos de la red cósmica del mismo modo.

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