¿Qué revelan 100.000 fábricas de estrellas en 74 galaxias sobre formación estelar en el Universo?

Hay galaxias de diferentes formas y tamaños, y algunas de las diferencias más pronunciadas entre ellas están relacionadas con la manera en que forman nuevas estrellas y dónde lo hacen. Hasta ahora ha sido difícil realizar investigaciones que permitan explicar de manera fehaciente esas diferencias, pero la suerte de los astrónomos está por cambiar. Una campaña sin precedentes emprendida por ALMA, que sumó 750 horas de observación y abarcó 74 galaxias espirales cercanas, está arrojando nuevas luces sobre la relación entre las nubes incubadoras de estrellas y sus galaxias anfitrionas.

El proyecto de investigación PHANGS-ALMA (‘Estudios Físicos en Alta Resolución Angular en Galaxias Cercanas’, por su sigla en inglés) del Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) ahonda en este aspecto con un nivel de precisión y detalle sin precedentes, al estudiar las características demográficas e individuales de las incubadoras de estrellas de un número prodigioso de galaxias, que a la fecha ya suman 74.

PHANGS-ALMA es una campaña única de su tipo que ya ha totalizado 750 horas de observación y ha permitido a los astrónomos entender mucho mejor cómo cambian los ciclos de formación estelar según el tamaño, la edad y el comportamiento interno de cada galaxia. Este estudio es de diez a cien veces más detallado (dependiendo del parámetro de comparación) que cualquier campaña anterior de este tipo.

“Algunas galaxias fabrican estrellas a una velocidad vertiginosa, mientras que otras agotaron el combustible necesario hace mucho tiempo. Las causas de esta diversidad podrían perfectamente deberse a las propiedades de las mismas incubadoras de estrellas”, comenta Erik Rosolowsky, astrónomo de la Universidad de Alberta (Canadá) y coinvestigador principal del equipo de investigación de PHANGS-ALMA.

Rosolowsky presentó los hallazgos preliminares del estudio en el congreso n.^o233 de la Sociedad Astronómica Estadounidense, que se celebra esta semana en Seattle (Washington, EE. UU.). Los resultados de la campaña también han sido recogidos en distintos artículos publicados en The Astrophysical Journaly The Astrophysical Journal Letters.

“En observaciones realizadas con generaciones anteriores de radiotelescopios se obtuvieron datos cruciales sobre la naturaleza de estas incubadoras densas y frías”, señala Rosolowsky. “Sin embargo, esas observaciones carecían de la sensibilidad, la alta resolución y la capacidad para estudiar un amplio abanico de incubadoras en toda la población de galaxias locales. Esto limitaba considerablemente nuestra capacidad para relacionar el comportamiento o las propiedades de cada incubadora con las características de las galaxias a las que pertenecían”.

Durante decenios los astrónomos han aventurado que hay diferencias fundamentales en la forma en que las galaxias espirales de distintos tamaños convierten el hidrógeno en nuevas estrellas. Algunos astrónomos han propuesto que las galaxias más grandes –y generalmente más antiguas– son menos eficientes que sus primas más pequeñas a la hora de producir estrellas. La explicación más lógica es que tienen incubadoras estelares menos eficientes. No obstante, ha sido difícil poner a prueba esta teoría.

Por primera vez, ALMA está permitiendo a los astrónomos realizar una campaña con la amplitud necesaria para determinar cómo las propiedades (tamaño, movimiento, etc.) de una galaxia de grandes proporciones inciden en el ciclo de formación estelar de cada nube molecular. Estas nubes no tienen más de unas decenas o centenas de años luz de extensión, relativamente poco en la escala de una galaxia, sobre todo cuando se las observan a millones de años luz de distancia.

“La formación de estrellas es más eficiente en algunas galaxias que en otras, pero la escasez de observaciones de alta resolución a escala de estas nubes nos impedía poner a prueba nuestras teorías, y por eso estas observaciones de ALMA son tan importantes”, explica Adam Leroy, astrónomo de la Ohio State Universityy coinvestigador principal del equipo de PHANGS-ALMA.

Según el astrónomo, parte del misterio de los procesos de formación estelar está relacionado con el medio interestelar; en otras palabras, toda la materia y energía presente entre las estrellas.

Los astrónomos saben que hay una retroalimentación permanente dentro y alrededor de las incubadoras de estrellas. En estas nubes, hay densos bolsos de gas que colapsan y forman estrellas, lo cual perjudica el medio interestelar.

“En efecto, al comparar las observaciones preliminares de la campaña PHANGS con las ubicaciones de las estrellas recién formadas vemos que estas rápidamente destruyen sus nubes incubadoras”, afirma Rosolowsky. “El equipo de PHANGS está analizando cómo se da este fenómeno en distintos tipos de galaxia, puesto que podría ser un factor clave en la eficiencia de los procesos de formación de estrellas”.

Para ello, ALMA está observando moléculas de monóxido de carbono (CO) de todas las galaxias espiralesrelativamente masivas del hemisferio sur y que, por lo general, se ven de frente. Las moléculas de CO emiten luz en longitudes de onda milimétricas de forma natural, y ALMA es capaz de detectarla. Estas moléculas son particularmente útiles para determinar la ubicación de nubes incubadoras.

“ALMA es una máquina increíblemente eficiente para mapear la distribución de monóxido de carbono en galaxias cercanas”, afirma Leroy. “Pudo hacer estas observaciones gracias a la capacidad combinada de sus antenas de 12 metros, que estudian estructuras en detalle, y las antenas más pequeñas, de 7 metros, situadas en el centro del conjunto, que son sensibles a objetos más grandes y permiten complementar la información”.

En otra campaña similar, llamada PHANGS-MUSE, se está usando el Very Large Telescopepara obtener imágenes ópticas de las primeras 19 galaxias observadas por ALMA. MUSEequivale a ‘explorador espectroscópico de unidades múltiples’ por su sigla en inglés. Otro estudio, llamado PHANGS-HST, usa el telescopio espacial Hubble para analizar 38 de estas galaxias con el fin de encontrar sus cúmulos estelares más jóvenes. Juntos, estos tres estudios proporcionan un panorama extraordinariamente completo de la forma en que las galaxias forman estrellas al analizar su gas molecular, su movimiento, la distribución del gas ionizado(lugares donde ya se están formando estrellas) y la totalidad de las poblaciones de estrellas de las galaxias.

“En astronomía no tenemos cómo ver el cosmos cambiar con el tiempo, pues las escalas de tiempo son simplemente enormes para la existencia humana, señala Rosolowsky. “No podemos mirar un objeto para siempre, pero podemos observar cientos de miles de nubes incubadoras en galaxias de distintos tamaños y edades para inferir cómo evolucionan. Ese es el verdadero aporte de la campaña ALMA-PHANGS”.

“También observamos entre miles y decenas de miles de zonas incubadoras dentro de cada galaxia para estudiarlas en todo su ciclo de vida. Esto nos permite hacernos una idea del nacimiento y la muerte de las incubadoras de estrellas en las diferentes galaxias, algo prácticamente imposible de lograr antes de ALMA”, agrega Leroy.

Hasta ahora, PHANGS-ALMA ha estudiado cerca de 30.000 objetos similares a la nebulosa de Orión en el Universo cercano, y se espera observar cerca de 300.000 zonas incubadoras.

Información adicional

Estos resultados están siendo publicados en un serie de artículos en el Astrophysical Journal y en el the Astrophysical Journal Letters. Ya fueron aceptados y publicados:

“Cloud-scale Molecular Gas Properties in 15 Nearby Galaxies” (‘Propiedades de gas molecular a escala de nube en 15 galaxias cercanas’), J. Sun et al., junio de 2018. 25, The Astrophysical Journal[http://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/aac326]

“Star Formation Efficiency per Free-fall Time in nearby Galaxies” (‘Eficiencia de formación estelar por tiempo de caída libre en galaxias cercanas’), D. Utomo et al., 11 de julio de 2018, The Astrophysical Journal Letters[http://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/aacf8f/meta]

“A 50 pc Scale View of Star Formation Efficiency across NGC 628” (‘Vista a escala de 50 pc de eficiencia de formación estelar en NGC 628’). K. Kreckel et al., 14 de agosto de 2018, The Astrophysical Journal Letters[http://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/aad77d]

El Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), una instalación astronómica internacional, es una asociación entre el Observatorio Europeo Austral (ESO), la Fundación Nacional de Ciencia de EE. UU. (NSF) y los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales de Japón (NINS) en cooperación con la República de Chile. ALMA es financiado por ESO en representación de sus estados miembros, por NSF en cooperación con el Consejo Nacional de Investigaciones de Canadá (NRC) y el Ministerio de Ciencia y Tecnología de Taiwán (MOST), y por NINS en cooperación con la Academia Sinica (AS) de Taiwán y el Instituto de Ciencias Astronómicas y Espaciales de Corea del Sur (KASI).

La construcción y las operaciones de ALMA son conducidas por ESO en nombre de sus estados miembros; por el Observatorio Radioastronómico Nacional (NRAO), gestionado por Associated Universities, Inc. (AUI), en representación de Norteamérica; y por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) en nombre de Asia del Este. El Joint ALMA Observatory (JAO) tiene a su cargo la dirección general y la gestión de la construcción, así como la puesta en marcha y las operaciones de ALMA.

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