Sentimos pasión por conocer los extremos, como si en su existencia se encontrara la clave de lo realmente posible. Identificar las partículas subatómicas más elementales, es una empresa que ha agrupado a los físicos de todas partes del mundo, alrededor de potentes aceleradores que se encargan de golpear y romper las partículas conocidas en sus partes. Asimismo, los astrónomos buscamos las estructuras cósmicas más grandes del Universo observable escudriñando el cielo en sus diferentes frecuencias de emisión desde grandes observatorios.
Detección del GTM de dos líneas del monóxido de carbono en la galaxia PJ160917.8 a 10,800 millones de años luz. Las líneas son el producto de la desexcitación de la molécula, del cuarto y tercer esta- do excitado rotacional al tercero y segundo. Esta galaxia tiene una tasa de formación estelar 21,000 veces mayor que la Vía Láctea, obviando el factor corrector de la amplificación gravitatoria, que es desconocido hasta el momento.
Entre 2009 y 2013 la Agencia Espacial Europea (ESA, por sus siglas en inglés European Space Agency) operó el satélite Planck, con un telescopio de 1.5 m de diámetro a bordo, encargado de realizar mapas precisos de todo el cielo en longitudes de onda entre 0.3 y 10mm. El objetivo era estudiar en gran detalle el fondo cósmico de radiación de microondas, una pantalla de luz casi perfectamente uniforme que se liberó unos 370 mil años después de la gran explosión origen del Universo, cuando éste se enfrió lo suficiente, como para que los núcleos de los átomos pudieran retener electrones que dieran lugar a los primeros átomos neutros. Esta radiación cósmica se detecta hoy en día a una temperatura escalofriantemente fría de 2.7K (-270.45 grados Celsius) con una composición energética que los expertos llaman Planckiana. Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858-1947) fue un físico alemán que realizó grandes contribuciones en física cuántica, lo cual le valió el premio Nobel de Física en 1918. La misión de la ESA lleva su nombre en su honor.
Un subproducto de la misión Planck es el catálogo de fuentes compactas, fruto de la radiación emitida por astros en la línea de visión hacia la pantalla uniforme origen de la radiación cósmica. Lo que es un contaminante para los estudiosos de esta última, resulta un tesoro a explotar para aquellos que nos dedicamos a estudiar la formación y evolución de galaxias. La mayor parte de estas fuentes compactas para el satélite Planck, que tiene una muy limitada nitidez de imagen debido al pequeño tamaño de su espejo primario, son galaxias cercanas, galaxias con emisión proveniente de la actividad generada alrededor de un hoyo negro supermasivo o galaxias lejanas que están formando estrellas a tasas más de mil veces mayores a la de nuestra propia galaxia, la Vía Láctea.
Nuestro equipo, encabezado por el estudiante de licenciatura de la Universidad de Massachusetts en Amherst (EUA), Kevin Harrington, buscó entre las 24 mil fuentes del catálogo Planck aquellas que más probablemente correspondían a galaxias lejanas en formación y que además tenían sus brillos amplificados por lentes gravitatorias en nuestra línea de visión hacia estas galaxias, ya que esto nos facilitaría su estudio. Se buscaron las fuentes Planck en catálogos trazados en longitudes de onda similares por, el también satélite de la ESA, Herschel, que ha cubierto a través de diferentes programas públicamente disponibles unos 175 grados cuadrados del cielo (de los 41 mil 253 grados cuadrados rastreados por Planck). Herschel con un diámetro de 3.5 m mejora la nitidez de la imagen por un factor 10, a la misma frecuencia de operación que Planck, pero además los colores registrados por Herschel son clave para discriminar galaxias cercanas, contaminantes para nuestro objetivo.
Al igual que los vidrios de las lentes ópticas, la gravedad también puede desviar la luz y producir efectos ópticos de amplificación y distorsión. Este fenómeno, conocido como lente gravitatoria, actúa como un auténtico telescopio natural, permitiendo la detección de astros débiles cuya luz en camino a nuestro planeta pasa cerca de una galaxia o grupo de galaxias masivos. Trabajos realizados anteriormente nos permitieron probar con el satélite Herschel que si buscamos sistemas que excedan un brillo umbral en microondas, el 100 por ciento de los objetos con brillo sobresaliente son galaxias polvorientas a grandes distancias cósmicas, amplificadas frecuentemente por otras galaxias que se encuentran en la línea de visión del observador y ejercen como lentes gravitatorias. En el estudio piloto encabezado por Harrington utilizamos este brillo umbral para identificar los ocho mejores candidatos de entre la lista de 235 fuentes comunes entre los catálogos de Herschel y Planck.
Con el Gran Telescopio Milimétrico Alfonso Serrano (GTM), situado en la cima del Tlitépetl (4 mil 600 m, Puebla) realizamos exposiciones cortas, de unos 10 minutos, con la cámara de imagen AzTEC operando a 1.1mm, para comprobar si las fuentes Planck eran realmente galaxias lejanas, lo cual debía traducirse en una apariencia puntual. GTM, con sus 32 m de diámetro operativos en la actualidad, tiene una nitidez de imagen de 8.5 segundos de arco (equivalente al tamaño aparente de un balón de futbol a 6 km de distancia), 35 veces mejor que la de Planck. Los ocho objetos seleccionados en nuestra muestra mostraron ser puntuales para la nitidez del GTM. Además descompusimos la luz proveniente de estos astros con el buscador de corrimientos al rojo del GTM, un espectrógrafo que opera a 3mm. Para los ocho objetos, en integraciones de 20 a 60 minutos, pudimos detectar líneas de emisión del monóxido de carbono (CO) desplazadas a longitudes de ondas más largas que las correspondientes a las medidas en laboratorio (desplazamiento llamado técnicamente corrimiento al rojo), lo que nos da una medida de la distancia a la que se encuentran estas galaxias, de entre 11 mil y 22 mil millones de años luz. Gran parte de estas galaxias no tenían distancias conocidas.
Con esas distancias y el brillo aparente a 1.1mm, complementado por el brillo detectado por Planck, Herschel y otros satélites, podemos deducir la luminosidad intrínseca de las galaxias, con la salvedad de que esta luminosidad está amplificada por la lente gravitatoria por un factor todavía desconocido. Obviando este factor corrector, que puede llegar a ser grande, las luminosidades deducidas para las fuentes las sitúa entre las galaxias más brillantes jamás conocidas, radiando el equivalente de entre 10 a 250 billones de veces la luminosidad del Sol, unas 100 y 3 mil veces más que la Vía Láctea. La característica más sobresaliente es que esta radiación proviene principalmente de nuevas generaciones de estrellas, y deducimos que las galaxias sostienen tasas de formación de nuevas estrellas de entre mil y 30 mil veces más virulentas que las de la Vía Láctea, lo que las convierte en verdaderas bestias de formación estelar.
La muestra estudiada por el GTM, de tan sólo ocho de las 24 mil fuentes de Planck, abre una nueva ventana para estudiar las galaxias en formación fuertemente amplificadas. Estudiar las 24 mil fuentes de Planck con el GTM directamente, sería inviable. Solamente en imagen, requeriríamos 2 mil 500 horas de observación. Sin embargo, los nuevos catálogos de Herschel y la utilización de otros telescopios infrarrojos panorámicos abren la posibilidad de pasar de este programa piloto a un programa con una muestra más significativa de la que derivar las propiedades más extremas de las galaxias en formación.
Este texto se basa en los resultados presentados por el estudiante de licenciatura Kevin Harrington y colaboradores en nuestro artículo “Early Science with the Large Millimeter Telescope: Observations of Extremely Luminous High-z Sources Identified by Planck” que apareció publicado en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, en marzo de 2016, basado en datos obtenidos con el GTM en 2014.
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