Filamentos en espiral alimentan galaxias jóvenes

Impresión artística de una galaxia en crecimiento muestra una espiral de gas hacia el centro. Las nuevas observaciones de Keck Cosmic Web Imager proporcionan la mejor evidencia hasta ahora de que el gas frío se forma directamente en galaxias en crecimiento a través de estructuras filamentosas. Gran parte del gas termina convirtiéndose en estrellas. Crédito: Adam Makarenko / W. Observatorio M. Keck.

Nuevos datos del Observatorio Keck muestra gas que está en espiral directamente en galaxias en crecimiento.

Las galaxias crecen acumulando gas de su entorno y convirtiéndolas en estrellas, pero los detalles de este proceso han sido turbios. Las nuevas observaciones, realizadas utilizando el Keck Cosmic Web Imager (KCWI) en el Observatorio WM Keck en Hawai, ahora proporcionan la evidencia más clara y directa hasta la fecha de que los filamentos de gas frío se esparcen en galaxias jóvenes, los cuales suministran combustible para las estrellas.

"Por primera vez, estamos viendo filamentos de gas directamente en espiral en una galaxia. Es como un gasoducto que va directo", dice Christopher Martin, profesor de física en Caltech y autor principal de un nuevo artículo que aparece en la edición del 1 de julio. de la revista Nature Astronomy. "Este gasoducto de gas sostiene la formación de estrellas, explicando cómo las galaxias pueden hacer que las estrellas se desarrollen en escalas de tiempo muy rápidas".

Filamentos en espiral alimentan galaxias jóvenes. Crédito: Caltech.

Durante años, los astrónomos han debatido exactamente cómo el gas se abre paso hacia el centro de las galaxias. ¿Se calienta dramáticamente cuando choca con el gas caliente que lo rodea? ¿O fluye a lo largo de los filamentos densos delgados, permaneciendo relativamente frío? "La teoría moderna sugiere que la respuesta es probablemente una mezcla de ambas, pero probar la existencia de estas corrientes frías de gas ha sido un gran desafío hasta ahora", dice el coautor Donal O'Sullivan (MS '15), un estudiante de doctorado en el grupo de Martin que construyó parte de KCWI.

KCWI, diseñada y construida en Caltech, es una cámara de imágenes espectrales de última generación. Llamado espectrógrafo de unidad de campo integral, que permite a los astrónomos tomar imágenes de manera que cada píxel de la imagen contenga un espectro de luz disperso. Instalado en Keck a principios de 2017, KCWI es el sucesor del Cosmic Web Imager (CWI), un instrumento que ha operado en el Observatorio Palomar cerca de San Diego desde 2010. KCWI tiene ocho veces la resolución espacial y 10 veces la sensibilidad de CWI.

"El principal impulsor para construir KCWI fue entender y caracterizar la red cósmica, pero el instrumento es muy flexible, y los científicos lo han utilizado, entre otras cosas, para estudiar la naturaleza de la materia oscura, investigar los agujeros negros y refinar nuestra comprensión de la formación estelar", dice el coautor Mateusz (Matt) Matuszewski (MS '02, PhD '12), un científico de instrumentos de Caltech.

La pregunta de cómo las galaxias y las estrellas se forman a partir de una red de filamentos tenues en el espacio, lo que se conoce como la red cósmica, ha fascinado a Martin desde que era un estudiante graduado. Para encontrar respuestas, dirigió los equipos que crearon CWI y KCWI. En 2017, Martin y su equipo utilizaron KCWI para adquirir datos sobre dos galaxias activas conocidas como quásares, llamadas UM 287 y CSO 38, pero no fueron los quásares los que ellos mismos querían estudiar. Cerca de cada uno de estos dos quásares hay una nebulosa gigante, más grande que la Vía Láctea y visible gracias a la fuerte iluminación de los quásares. Al observar la luz emitida por el hidrógeno en las nebulosas, específicamente una línea de emisión atómica llamada hidrógeno Lyman-alfa, pudieron identificar la velocidad del gas. Por observaciones anteriores en Palomar, el equipo ya sabía que había signos de rotación en las nebulosas.

"Cuando utilizamos el CWI de Palomar anteriormente, pudimos ver lo que parecía un disco de gas en rotación, pero no pudimos distinguir ningún filamento", dice O'Sullivan. "Ahora, con el aumento de la sensibilidad y la resolución con KCWI, tenemos modelos más sofisticados y podemos ver que estos objetos están siendo alimentados por el gas que fluye desde los filamentos adjuntos, lo que es una fuerte evidencia de que la red cósmica está conectada y alimenta este disco. "

Martin y sus colegas desarrollaron un modelo matemático para explicar las velocidades que estaban viendo en el gas y lo probaron en UM287 y CSO38, así como en una galaxia simulada.

"Nos llevó más de un año elaborar el modelo matemático para explicar el flujo radial del gas", dice Martin. "Una vez que lo hicimos, nos sorprendió lo bien que funciona el modelo".

Los hallazgos proporcionan la mejor evidencia hasta la fecha para el modelo de flujo frío de la formación de galaxias, que básicamente establece que el gas frío puede fluir directamente hacia las galaxias en formación, donde se convierte en estrellas. Antes de que este modelo entrara en popularidad, los investigadores habían propuesto que las galaxias atrajeran el gas y lo calentaran a temperaturas extremadamente altas. A partir de ahí, se pensó que el gas se enfriaría gradualmente, proporcionando un suministro constante pero lento de combustible para las estrellas. En 1996, una investigación de Charles (Chuck) Steidel de Caltech, el profesor de astronomía Lee A. DuBridge y coautor del nuevo estudio, puso en tela de juicio este modelo. Él y sus colegas demostraron que las galaxias distantes producen estrellas a una velocidad muy alta, demasiado rápido para ser explicadas por el lento asentamiento y enfriamiento del gas caliente, que era un modelo favorito para la alimentación de galaxias jóvenes.

"A través de los años, hemos adquirido más y más evidencia del modelo de flujo en frío", dice Martin. "Hemos apodado nuestra nueva versión del modelo como 'flujo frío en espiral', ya que vemos el patrón en espiral en el gas".

"Este tipo de medidas son exactamente el tipo de ciencia que queremos hacer con KCWI", dice John O'Meara, científico jefe del Observatorio Keck. "Combinamos el poder del tamaño del telescopio de Keck, la poderosa instrumentación y un increíble sitio astronómico para ampliar los límites de lo que es posible observar. Es muy emocionante ver este resultado en particular, ya que observar directamente los flujos de entrada ha sido un eslabón perdido. nuestra capacidad para probar modelos de formación y evolución de galaxias. No puedo esperar a ver qué viene a continuación ".

Fuente: California Institute of Technology