El oxígeno de una galaxia muy lejana ayuda a entender la reionización cósmica

Un equipo de astrónomos ha empleado el telescopio Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) del Observatorio Austral Europeo (ESO) en Chile para detectar oxígeno brillante en la galaxia más lejana en la que, de forma inequívoca, se ha detectado, y es además muy probable que esté ionizada por una intensa radiación proveniente de estrellas gigantes jóvenes. Esta galaxia podría ser un ejemplo de un tipo de fuente responsable de la reionización cósmica en los inicios de la historia del Universo.

Astrónomos de Japón, Suecia, el Reino Unido y ESO han utilizado ALMA para observar una de las galaxias más distantes conocidas a la fecha, SXDF-NB1006-2, que posee un corrimiento al rojo de 7,2, lo que implica que la observamos sólo 700 millones de años después del Big Bang.

El equipo esperaba obtener información sobre los elementos químicos pesados (en astronomía, los que son más pesados que el litio) presentes en la galaxia, ya que pueden dar información acerca del nivel de formación estelar existente, y por lo tanto proporcionar pistas del período de la historia del Universo conocido como reionización cósmica.

“La búsqueda de elementos pesados en los inicios del Universo es un enfoque esencial para explorar la actividad de la formación estelar en ese período”, dice Akio Inoue, de la Universidad de Osaka Sangyo (Japón), en la nota de prensa de ESO. Su trabajo de investigación se publica en la revista Science. “El estudio de los elementos pesados también nos da un indicio de cómo se formaron las galaxias y de lo que causó la reionización cósmica”, agrega.

En el tiempo anterior a la formación de los objetos en el Universo, éste se encontraba lleno de gas eléctricamente neutro. Pero cuando los primeros objetos comenzaron a brillar, unos pocos cientos de millones de años después del Big Bang, emitieron una intensa radiación que comenzó a descomponer esos átomos neutros, ionizando el gas.

Durante esta fase (conocida como reionización cósmica) el Universo en su totalidad cambió de forma drástica. Sin embargo, existe un gran debate sobre qué tipo de objetos exactamente causaron la reionización. Estudiar las condiciones en galaxias muy distantes puede ayudar a responder a esta pregunta.

Simulaciones

Antes de observar la lejana galaxia, los investigadores realizaron simulaciones por computador para predecir la facilidad con la que podrían esperar ver evidencia de oxígeno ionizado, haciendo uso de ALMA.

También tuvieron en cuenta las observaciones de galaxias similares mucho más cercanas a la Tierra, y llegaron a la conclusión de que la emisión de oxígeno debía de ser detectable, incluso a grandes distancias. (El satélite japonés de astronomía infrarroja Akari detectó que esta emisión de oxígeno es muy brillante en la Gran Nube de Magallanes, que cuenta con un ambiente similar al del Universo temprano.)

Luego llevaron a cabo observaciones de alta sensibilidad con ALMA y detectaron luz proveniente del oxígeno ionizado en SXDF-NB1006-2, lo que significaba que era, de manera inequívoca, la detección de oxígeno más distante jamás obtenida. Es una evidencia contundente de la presencia de oxígeno en los inicios del Universo, sólo 700 millones de años después del Big Bang.

Trabajos anteriores habían sugerido la presencia de oxígeno en un periodo algo anterior, pero no hubo una detección directa de una línea de emisión, como es el caso del nuevo estudio.

Se descubrió que el oxígeno de SXDF-NB1006-2 era diez veces menos abundante de lo que es en el Sol. “La poca abundancia se explica debido a que el Universo aún era joven y tenía una breve historia de formación estelar en ese momento”, comenta Naoki Yoshida, de la Universidad de Tokio. “Nuestra simulación predijo de hecho esa abundancia diez veces menor a la del Sol. Pero tenemos otro, e inesperado, resultado: una cantidad muy pequeña de polvo”.

Poco polvo

El equipo fue incapaz de detectar ninguna emisión de carbono en la galaxia, lo que sugiere que ésta contenía muy poco gas de hidrógeno no ionizado, y descubrió además que sólo contenía una pequeña cantidad de polvo, compuesto de elementos pesados. “Algo inusual puede estar ocurriendo en esta galaxia”, comenta Inoue. “Sospecho que casi todo el gas se encuentra altamente ionizado”.

La detección de oxígeno ionizado indica que en la galaxia se han formado muchas estrellas de gran brillo, varias docenas de veces más masivas que el Sol, que emiten la intensa luz ultravioleta necesaria para ionizar los átomos de oxígeno.

La ausencia de polvo en la galaxia permite que la intensa luz ultravioleta escape e ionice grandes cantidades de gas fuera de la galaxia. “SXDF-NB1006-2 sería un prototipo de las fuentes de luz responsables de la reionización cósmica”, dice Inoue.

“Este es un importante paso para comprender qué tipo de objetos causaron la reionización cósmica”, explica Yoichi Tamura, de la Universidad de Tokio. “Ya hemos comenzado nuevas observaciones con ALMA. Observaciones con una resolución mayor nos permitirán ver la distribución y el movimiento del oxígeno ionizado en la galaxia y proporcionarán información vital para ayudarnos a entender las propiedades de la misma.»

Referencia bibliográfica:

Inoue et al.: Detection of an oxygen emission line from a high redshift galaxy in the reionization epoch. Science (2016). DOI: 10.1126/science.aaf0714.