Una galàxia molt llunyana (a 13,5 milers de milions d’anys-llum)

Astronomia: La sèrie de Lyman és una sèrie espectral de l’hidrogen manifestada en forma de línies d’emissió en la banda de l’ultraviolat d’àtoms hidrogen, en els que un electró transita de una n igual o superior a 2 cap a 1. El límit per la banda de longitud d’ona curta de la sèrie de Lyman es troba a 91,2 nm, i es correspon a l’energia requerida per un electró en l’estat basal per escapar de la barrera de potencial elèctric i convertir així un àtom neutre d’hidrogen en un catió hidrogen. Energies situades per damunt del límit de Lyman són gairebé completament absorbides pel gas neutral de les regions astrogèniques de la galàxia, i això pot ésser aprofitat en la recerca astronòmica. Els avenços en l’astronomia d’ultraviolat i d’infraroig proper han obert la possibilitat d’emprar la tècnica per a la detecció de galàxies astrogèniques amb un desplaçament espectral al vermell (z) molt acusat, el qual reflecteix l’efecte de l’expansió de l’espai entre nosaltres i aquestes galàxies. Com més llunyana és una galàxia, major és la z i més propera es troba a les etapes inicials de l’univers. En un article publicat ahir a The Astrophysical Journal, amb Yuichi Harikane com a primer autor, ens presenten una recerca de galàxies amb ruptura de Lyman per caiguda d’hidrogen amb una z de 12 a 16. Ho han fet amb imatges de l’infraroig proper d’un camp profund de 2,3 graus quadrats. D’aquesta recerca en resulten dos candidats brillants, amb valors de z de 12 a 13. En les bases de dades fotomètriques, les distribucions d’energia espectral d’aquestes dues galàxies mostren una aguda discontinuïtat a una longitud d’ona de 1700 nm, un continu pla entre 2000 i 5000 nm, i una nul·la detecció a longituds d’ona menors a 1200 nm. Això indicaria una z superior a 12. Dades de l’Observatori ALMA d’una de les dues candidates mostra una línia temptativa de OIII a 8800 nm que indicaria una z de 13,27, que concorda amb l’estimació fotomètrica de z. La densitat numèrica de les dues candidates és comparable a la de galàxies brillants amb una z de 10. Assumint una funció de lluminositat de poble potència, hi hauria poca evolució en l’abundància de galàxies brillants per a valors de z de 4 a 13. Els models teòrics no concorden amb l’abundància de galàxies brillants per a valors de z de 10 a 13. L’astrogènesi en el nostre univers sembla més antiga de mitjana que no pas ens afiguràvem. De moment, hom pot dir que una de les dues candidates, HD1, amb una z d 13,27 seria la galàxia més llunyana (13,5 milers de milions d’anys-llum, que es corresponen a 33,4 milers de milions d'anys-llum o 10,2 gigaparsecs de distància pròpia) i més antiga (a 330 milions d’anys del Big Bang) coneguda. Això la fa una diana d’interès per a missions com el James Webb Space Telescope, el Nancy Grace Roman Space Telescope i el GREX-PLUS.

La galàxia HD-1 (l’objecte vermell del requadre) rep aquesta denominació per la “Hydrogen Dropout” que indicaria una intensa formació estel·lar.

La formació de les primeres galàxies

En aquesta recerca han participat investigadors de la Universitat de Tòkio (Yuichi Harikane), de la Universitat Waseda (Akio K. Inoue i Yuma Sugahara), de l’Observatori Astronòmic Nacional de Japó (Ken Mawatari, Yoshinobu Fudamoto i Hiroshi Matsuo), de la Universitat de Tsukuba (Takuya Hashimoto), del Col·legi Toba (Satoshi Yamanaka), de la Universitat de Nagoya (Yoichi Tamura), de la Universitat de Groningen (Pratika Dayal i Anne Hutter), del NASA Goddard Space Flight Center (L. Y. Aaron Yung), de la Universitat de Harvard (Fabio Pacucci) i del Space Telescope Science Institute de Baltimore (Anton M. Koekemoer).

La primera versió de l’article fou avançada el 16 de desembre del 2021. Després de tres revisions, l’article fou acceptat a The Astronomical Journal el 8 de febrer.

L’objectiu de la investigació és aconseguir l’observació directa de galàxies en formació de l’univers primerenc. Com que la velocitat de la llum és finita (c), les galàxies llunyanes són observades tal com eren fa molt de temps. Com que l’univers es troba en expansió accelerada, com més llunyana és una galàxia més ràpidament tendeix a allunyar-se. Per l’efecte Doppler, la llum d’un objecte que s’allunya de l’observador, pateix un desplaçament cap al vermell. El desplaçament és expressat per z: valors inferiors a 1 indiquen un desplaçament cap al blau (objectes que s’apropen) i valors superiors a 1 indiquen un desplaçament cap al vermell (objectes que s’allunyen). Així doncs, una z elevada és indicadora de la llunyania d’un objecte i alhora de la seva antiguitat, però la llum que observem d’un objecte antic es correspon a tal com era. Les galàxies més llunyanes ens ofereixen la imatge de les galàxies més joves.

Mirar lluny és mirar al passat. Per exemple, els quàsars que s’han observat amb z superiors a 7 reflecteixen nuclis galàctics d’un univers jove. Com que aquests quàsars són el resultat de forats negres massius (vora 10⁹ masses solars), apareix la qüestió de com van tenir temps de formar-se en un temps còsmic limitat.

La galàxia amb el desplaçament al vermell més elevat fins ara és GN-z11, que com diu la denominació té una z d’11. Aquest valor ha estat confirmat amb deteccions de la fractura de Lyman i de línies metàl·liques en la banda de l’ultraviolat. La magnitud en l’ultraviolat de GN-z11 és de -22,1, la qual es correspon certament a una galàxia molt lluminosa en termes absoluts. No encaixa que una galàxia tan jove sigui tan brillant, i una alternativa podria ser que aquesta lluminositat fos l’efecte d’una lent gravitacional interposada.

Amb la càmera de camp ampli 3 (WFC3) del Telescopi Espacial Hubble (HST) és possible examinar àrees del cel de més d’un grau quadrat. Hom ha trobat galàxies amb fractura de Lyman molt lluminoses malgrat presentar z de 9-10. Això ha fet qüestió la funció Schechter sobre la relació entre forma i lluminositat de galàxies.

Amb projectes de l’infraroig proper (UltraVISTA, UKIDSS, VIDEO) que poden examinar àrees d’unes quants graus quadrats, s’ha pogut fer un càlcul de la distribució de galàxies lluminoses en funció de z que encaixarien amb una llei de doble potència. D’aquesta manera s’entendria que per a valors de z de 4 a 10 no hi hagués gaire evolució en la densitat numèrica de galàxies brillants.

Aquestes observacions fan pensar en un univers en el que ràpidament començaren a formar-se estels. Potencialment, hom podria observar galàxies astrogèniques amb una z de 15. En el marc de l’UDF12 del Telescopi Hubble s’observà un candidat a galàxia de z de 12. La presència de ruptures de Balmer en galàxies de z de 9 a 10, indicarien que en un univers de 300-500 milions d’anys ja hi havien poblacions estel·lars madures. En candidats a galàxies passives de z de 6, la població estel·lar ja seria dominada per estels de més de 700 milions d’anys.

Harikane et al., en aquesta recerca, investiguen la presència de galàxies amb ruptura de Lyman amb z de 12 a 16.

La selecció de dades fotomètriques

Harinake et al. utilitzen bases de dades de COSMOS (2007) i SXDS (2008) que abasten una àrea del cel de 2,3 graus quadrats. Les imatges d’infraroig de Spitzer i altres observatoris són catalogades fotomètricament. Si hom vol trobar galàxies de z de 12 a 16, la ruptura de Lyman ha d’haver patit un desplaçament de 91,2 nm fins a 1600-2100 nm. Harikane et al. exclouen fonts que puguin patir la interferència d’objectes interposats.

Troben dues galàxies candidates:
- HD1, a una ascensió recta de 10:01:51.31 i una declinació de 02:32:50.0, en la constel·lació del Sextant.
- HD2, a una ascensió recta de 02:18:52.44 i una declinació de -05:08:36.1, en la constel·lació de la Balena.

HD1 apareix en el catàleg COSMOS2020 amb una z de 3,6. En aquest catàleg les magnituds estimades són de 24,2 i 23,9. Per contra, Harikane et al. mesuren magnituds de 24,6 i 24,7.

Tant HD1 com HD2 seran observades en el programa JWST GO-1740. Un altre objectiu serà HD3 (a la constel·lació de la Balena), que podria tenir una z de 14,6.

Observació amb ALMA

Harikane et al. observaren HD1 en el 2019 amb ALMA, cercant-hi la línia d’emissió [O_III]88μm. Trobaren un senyal en 237,8 GHz, que si es correspon a la línia citada, indicaria una z de 13,27 per a HD1. La lluminositat ultraviolada de HD1 és equivalent a 4,8·10¹¹ vegades la del Sol, però la lluminositat de la línia O_III no segueix aquesta proporció, indicant que la galàxia HD1 és d’una metal·licitat entre l’1% i el 10% de la del Sol.

Observacions projectades amb ALMA de HD1 i HD2 ajudaran a precisar la z d’una manera més robusta. Harikane et al. calculen que les futures observacions de JWST, Roman i GREX-PLUS detectaren més de 10.000 galàxies amb z de 13 a 15, i potser alguna de 17. Llavors serem testimonis de la primera formació de galàxies, i podrem adquirir una idea més precisa de la dinàmica històrica de la formació d’estels.

Lligams:

- A Search for H-Dropout Lyman Break Galaxies at z~12-16. Yuichi Harikane, Akio K. Inoue, Ken Mawatari, Takuya Hashimoto, Satoshi Yamanaka, Yoshinobu Fudamoto, Hiroshi Matsuo, Yoichi Tamura, Pratika Dayal, L. Y. Aaron Yung, Anne Hutter, Fabio Pacucci, Yuma Sugahara, Anton M. Koekemoer (2022).