Es probable que las galaxias formadoras de estrellas sean la principal fuente de energía de la radiación Lyman-alfa emitida por gigantescas burbujas de gas de hidrógeno
Las gotas de Lyman-alpha (LAB) son nubes gigantescas de gas hidrógeno que producen un tipo especial de luz ultravioleta conocida como emisión de Lyman-alpha. Una fuente de energía extremadamente poderosa debe producir esta radiación, pero los científicos debaten cuál es esa fuente de energía. Un estudio de Lyman-alpha blob 6 (LAB-6) es el primer LAB con una fuerte evidencia de una característica de gas que cae. Los hallazgos sugieren que las galaxias formadoras de estrellas son probablemente la fuente de energía primaria de la radiación Lyman-alfa emitida por LAB-6.
Un nuevo estudio publicado el 9 de marzo en Nature Astronomy proporciona evidencia de que la fuente de energía está en el centro de las galaxias formadoras de estrellas, alrededor de las cuales existen los LAB.
El estudio se centra en Lyman-alpha blob 6 (LAB-6) ubicado a más de 18 mil millones de años luz de distancia en la dirección de la constelación Grus. El equipo de colaboración descubrió una característica única de LAB-6: su gas de hidrógeno parecía caer sobre sí mismo. LAB-6 es el primer LAB con fuerte evidencia de esta llamada firma de gas que cae. El gas que cae era bajo en abundancia de elementos metálicos, lo que sugiere que el gas de hidrógeno que cae del LAB se originó en el medio intergaláctico, en lugar de en la propia galaxia formadora de estrellas.
La cantidad de gas que cae es demasiado baja para alimentar la emisión observada de Lyman-alfa. Los hallazgos proporcionan evidencia de que la galaxia central de formación estelar es la principal fuente de energía responsable de la emisión de Lyman-alfa. También plantean nuevas preguntas sobre la estructura de los LAB.
"Esto nos da un misterio. Esperamos que haya una caída de gas alrededor de las galaxias formadoras de estrellas; necesitan gas para los materiales", dijo Zheng Zheng, profesor asociado de física y astronomía en la Universidad de Utah y coautor del estudio. Zheng se unió al esfuerzo de analizar los datos y dirigió la interpretación teórica con el estudiante graduado de la Universidad de Shiyu Nie. "Pero esta parece ser la única gota Lyman-alfa con caída de gas. ¿Por qué es tan raro?"
Los autores utilizaron el Very Large Telescope (VLT) en el Observatorio Europeo Austral (ESO) y el Atacama Large Millimeter / Submillimeter Array (ALMA) para obtener los datos. El autor principal, Yiping Ao, del Observatorio Purple Mountain, Academia de Ciencias de China, observó por primera vez el sistema LAB-6 hace más de una década. Sabía que había algo especial en el sistema incluso en ese momento, basado en el tamaño extremo de su burbuja de gas hidrógeno. Aprovechó la oportunidad de mirar más de cerca.
"Afortunadamente, pudimos obtener los datos necesarios para capturar la composición molecular de ALMA, determinando la velocidad de la galaxia", dijo. "El telescopio óptico VLT de ESO nos dio el importante perfil de luz espectral de la emisión de Lyman-alfa".
El universo está lleno de hidrógeno. El electrón de hidrógeno orbita el núcleo del átomo en diferentes niveles de energía. Cuando un átomo de hidrógeno neutro es lanzado con energía, el electrón puede ser impulsado a una órbita más grande con un nivel de energía más alto. Entonces el electrón puede saltar de un nivel de órbita a otro, lo que produce un fotón. Cuando el electrón se mueve a la órbita más interna desde la órbita directamente adyacente, emite un fotón con una longitud de onda particular en el espectro ultravioleta, llamada emisión Lyman-alfa. Se requiere una fuente de energía potente para energizar el hidrógeno lo suficiente como para producir la emisión Lyman-alfa.
Los autores descubrieron la característica de caída de gas mediante el análisis de la cinemática de las emisiones de Lyman-alfa. Después de que se emite el fotón Lyman-alfa, se encuentra con un entorno lleno de átomos de hidrógeno. Se estrella contra estos átomos muchas veces, como una bola que se mueve en una máquina de pinball, antes de escapar del medio ambiente. Esta salida hace que la emisión se extienda hacia afuera a grandes distancias.
Todo esto rebotando no solo cambia la dirección de la onda de luz, sino también su frecuencia, ya que el movimiento del gas provoca un efecto Doppler. Cuando el gas está saliendo, la emisión Lyman-alfa cambia a la longitud de onda más larga y más roja. Lo opuesto ocurre cuando el gas está entrando: la longitud de onda de la emisión Lyman-alfa parece acortarse y cambiar a un espectro más azul.
Los autores de este artículo utilizaron la observación de ALMA para localizar la longitud de onda esperada de la emisión de Lyman-alfa de la prospectiva de la Tierra, si no hubiera un efecto de rebote para los fotones de Lyman-alpha. Con la observación de VLT, encontraron que la emisión de Lyman-alfa de esta burbuja cambia a una longitud de onda más larga, lo que implica una entrada de gas. Utilizaron modelos para analizar los datos del espectro y estudiar la cinemática del gas hidrógeno.
El gas que cae reduce el origen de la radiación Lyman-alfa
Los LAB están asociados con galaxias gigantes que están formando estrellas a una velocidad de cientos a miles de masa solar por año. Halos gigantes de emisiones de Lyman-alfa rodean estas galaxias, formando las gotas de gas Lyman-alfa a cientos de miles de años luz de diámetro con un poder equivalente a unos 10 mil millones de soles. El movimiento dentro de las burbujas de gas puede decirle algo sobre el estado de la galaxia.
La caída de gas puede originarse de diferentes maneras. Podría ser la segunda etapa de una fuente galáctica: si mueren estrellas masivas, explotan y empujan el gas hacia afuera, que luego cae hacia adentro. Otra opción es una corriente fría: hay filamentos de hidrógeno que flotan entre los objetos celestes que pueden arrastrarse hacia el centro del pozo potencial, creando la característica de gas que cae.
El modelo de los autores sugiere que el gas que cae en este LAB proviene del último escenario. Analizaron la forma del perfil de luz Lyman-alpha, que indica muy poco polvo metálico. En astronomía, los metales son algo más pesados que el helio. Las estrellas producen todos los elementos pesados del universo; cuando explotan, producen elementos metálicos y los extienden por el espacio intergaláctico.
"Si el gas hubiera venido de esta galaxia, debería ver más metales. Pero en este caso, no había muchos metales", dijo Zheng. "La indicación es que el gas no está contaminado con elementos de esta formación estelar".
Además, su modelo indica que el gas circundante solo produce el equivalente de energía energética de dos masas solares por año, demasiado bajo para la cantidad de emisión observada de Lyman-alfa.
Los hallazgos proporcionan una fuerte evidencia de que la galaxia formadora de estrellas es el principal contribuyente de la emisión Lyman-alfa, mientras que el gas que cae actúa para dar forma a su perfil espectral. Sin embargo, no responde completamente la pregunta.
"Todavía puede haber otras posibilidades", dijo Ao. "Si la galaxia tiene un agujero negro supermasivo en el centro, puede emitir fotones energéticos que podrían viajar lo suficientemente lejos como para producir la emisión".
En futuros estudios, los autores quieren separar la complicada dinámica de los gases para descubrir por qué la caída de gas es rara para los LAB. El gas entrante podría depender de la orientación del sistema, por ejemplo. También quieren construir modelos más realistas para comprender los movimientos de los fotones de emisión Lyman-alfa cuando chocan contra los átomos.
Yiping Ao también está afiliado a la Universidad de Ciencia y Tecnología de China. Otros autores contribuyentes incluyen: Shiyu Nie de la Universidad de Utah; Christian Henkel de MPIfR y King Abdulaziz University; Alexandre Beelen del Institut d 'Astrophysique Spatiale, Renyue Cen de la Universidad de Princeton; Mark Dijkstra de la Universidad de Oslo; Paul J. Francis de la Universidad Nacional de Australia; James E. Geach de la Universidad de Hertfordshire; Kotaro Kohno de la Universidad de Tokio; Matthew D. Lehnert de la Sorbonne Université; Karl M. Menten y Axel Weiss de MPIfR; y Junzhi Wang del Observatorio Astronómico de Shanghai.
Fuente y enlace de la investigación:
Yiping Ao, Zheng Zheng, Christian Henkel, Shiyu Nie, Alexandre Beelen, Renyue Cen, Mark Dijkstra, Paul J. Francis, James E. Geach, Kotaro Kohno, Matthew D. Lehnert, Karl M. Menten, Junzhi Wang, Axel Weiss. Infalling gas in a Lyman-α blob. Nature Astronomy, 2020
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Las gotas de Lyman-alpha (LAB) son nubes gigantescas de gas hidrógeno que producen un tipo especial de luz ultravioleta conocida como emisión de Lyman-alpha. Una fuente de energía extremadamente poderosa debe producir esta radiación, pero los científicos debaten cuál es esa fuente de energía. Un estudio de Lyman-alpha blob 6 (LAB-6) es el primer LAB con una fuerte evidencia de una característica de gas que cae. Los hallazgos sugieren que las galaxias formadoras de estrellas son probablemente la fuente de energía primaria de la radiación Lyman-alfa emitida por LAB-6.
Un nuevo estudio publicado el 9 de marzo en Nature Astronomy proporciona evidencia de que la fuente de energía está en el centro de las galaxias formadoras de estrellas, alrededor de las cuales existen los LAB.
El estudio se centra en Lyman-alpha blob 6 (LAB-6) ubicado a más de 18 mil millones de años luz de distancia en la dirección de la constelación Grus. El equipo de colaboración descubrió una característica única de LAB-6: su gas de hidrógeno parecía caer sobre sí mismo. LAB-6 es el primer LAB con fuerte evidencia de esta llamada firma de gas que cae. El gas que cae era bajo en abundancia de elementos metálicos, lo que sugiere que el gas de hidrógeno que cae del LAB se originó en el medio intergaláctico, en lugar de en la propia galaxia formadora de estrellas.
La cantidad de gas que cae es demasiado baja para alimentar la emisión observada de Lyman-alfa. Los hallazgos proporcionan evidencia de que la galaxia central de formación estelar es la principal fuente de energía responsable de la emisión de Lyman-alfa. También plantean nuevas preguntas sobre la estructura de los LAB.
"Esto nos da un misterio. Esperamos que haya una caída de gas alrededor de las galaxias formadoras de estrellas; necesitan gas para los materiales", dijo Zheng Zheng, profesor asociado de física y astronomía en la Universidad de Utah y coautor del estudio. Zheng se unió al esfuerzo de analizar los datos y dirigió la interpretación teórica con el estudiante graduado de la Universidad de Shiyu Nie. "Pero esta parece ser la única gota Lyman-alfa con caída de gas. ¿Por qué es tan raro?"
Los autores utilizaron el Very Large Telescope (VLT) en el Observatorio Europeo Austral (ESO) y el Atacama Large Millimeter / Submillimeter Array (ALMA) para obtener los datos. El autor principal, Yiping Ao, del Observatorio Purple Mountain, Academia de Ciencias de China, observó por primera vez el sistema LAB-6 hace más de una década. Sabía que había algo especial en el sistema incluso en ese momento, basado en el tamaño extremo de su burbuja de gas hidrógeno. Aprovechó la oportunidad de mirar más de cerca.
"Afortunadamente, pudimos obtener los datos necesarios para capturar la composición molecular de ALMA, determinando la velocidad de la galaxia", dijo. "El telescopio óptico VLT de ESO nos dio el importante perfil de luz espectral de la emisión de Lyman-alfa".
La luz del hidrógeno revela su secreto.
El universo está lleno de hidrógeno. El electrón de hidrógeno orbita el núcleo del átomo en diferentes niveles de energía. Cuando un átomo de hidrógeno neutro es lanzado con energía, el electrón puede ser impulsado a una órbita más grande con un nivel de energía más alto. Entonces el electrón puede saltar de un nivel de órbita a otro, lo que produce un fotón. Cuando el electrón se mueve a la órbita más interna desde la órbita directamente adyacente, emite un fotón con una longitud de onda particular en el espectro ultravioleta, llamada emisión Lyman-alfa. Se requiere una fuente de energía potente para energizar el hidrógeno lo suficiente como para producir la emisión Lyman-alfa.
Los autores descubrieron la característica de caída de gas mediante el análisis de la cinemática de las emisiones de Lyman-alfa. Después de que se emite el fotón Lyman-alfa, se encuentra con un entorno lleno de átomos de hidrógeno. Se estrella contra estos átomos muchas veces, como una bola que se mueve en una máquina de pinball, antes de escapar del medio ambiente. Esta salida hace que la emisión se extienda hacia afuera a grandes distancias.
Todo esto rebotando no solo cambia la dirección de la onda de luz, sino también su frecuencia, ya que el movimiento del gas provoca un efecto Doppler. Cuando el gas está saliendo, la emisión Lyman-alfa cambia a la longitud de onda más larga y más roja. Lo opuesto ocurre cuando el gas está entrando: la longitud de onda de la emisión Lyman-alfa parece acortarse y cambiar a un espectro más azul.
Los autores de este artículo utilizaron la observación de ALMA para localizar la longitud de onda esperada de la emisión de Lyman-alfa de la prospectiva de la Tierra, si no hubiera un efecto de rebote para los fotones de Lyman-alpha. Con la observación de VLT, encontraron que la emisión de Lyman-alfa de esta burbuja cambia a una longitud de onda más larga, lo que implica una entrada de gas. Utilizaron modelos para analizar los datos del espectro y estudiar la cinemática del gas hidrógeno.
El gas que cae reduce el origen de la radiación Lyman-alfa
Los LAB están asociados con galaxias gigantes que están formando estrellas a una velocidad de cientos a miles de masa solar por año. Halos gigantes de emisiones de Lyman-alfa rodean estas galaxias, formando las gotas de gas Lyman-alfa a cientos de miles de años luz de diámetro con un poder equivalente a unos 10 mil millones de soles. El movimiento dentro de las burbujas de gas puede decirle algo sobre el estado de la galaxia.
La caída de gas puede originarse de diferentes maneras. Podría ser la segunda etapa de una fuente galáctica: si mueren estrellas masivas, explotan y empujan el gas hacia afuera, que luego cae hacia adentro. Otra opción es una corriente fría: hay filamentos de hidrógeno que flotan entre los objetos celestes que pueden arrastrarse hacia el centro del pozo potencial, creando la característica de gas que cae.
El modelo de los autores sugiere que el gas que cae en este LAB proviene del último escenario. Analizaron la forma del perfil de luz Lyman-alpha, que indica muy poco polvo metálico. En astronomía, los metales son algo más pesados que el helio. Las estrellas producen todos los elementos pesados del universo; cuando explotan, producen elementos metálicos y los extienden por el espacio intergaláctico.
"Si el gas hubiera venido de esta galaxia, debería ver más metales. Pero en este caso, no había muchos metales", dijo Zheng. "La indicación es que el gas no está contaminado con elementos de esta formación estelar".
Además, su modelo indica que el gas circundante solo produce el equivalente de energía energética de dos masas solares por año, demasiado bajo para la cantidad de emisión observada de Lyman-alfa.
Los hallazgos proporcionan una fuerte evidencia de que la galaxia formadora de estrellas es el principal contribuyente de la emisión Lyman-alfa, mientras que el gas que cae actúa para dar forma a su perfil espectral. Sin embargo, no responde completamente la pregunta.
"Todavía puede haber otras posibilidades", dijo Ao. "Si la galaxia tiene un agujero negro supermasivo en el centro, puede emitir fotones energéticos que podrían viajar lo suficientemente lejos como para producir la emisión".
En futuros estudios, los autores quieren separar la complicada dinámica de los gases para descubrir por qué la caída de gas es rara para los LAB. El gas entrante podría depender de la orientación del sistema, por ejemplo. También quieren construir modelos más realistas para comprender los movimientos de los fotones de emisión Lyman-alfa cuando chocan contra los átomos.
Yiping Ao también está afiliado a la Universidad de Ciencia y Tecnología de China. Otros autores contribuyentes incluyen: Shiyu Nie de la Universidad de Utah; Christian Henkel de MPIfR y King Abdulaziz University; Alexandre Beelen del Institut d 'Astrophysique Spatiale, Renyue Cen de la Universidad de Princeton; Mark Dijkstra de la Universidad de Oslo; Paul J. Francis de la Universidad Nacional de Australia; James E. Geach de la Universidad de Hertfordshire; Kotaro Kohno de la Universidad de Tokio; Matthew D. Lehnert de la Sorbonne Université; Karl M. Menten y Axel Weiss de MPIfR; y Junzhi Wang del Observatorio Astronómico de Shanghai.
Fuente y enlace de la investigación:
Yiping Ao, Zheng Zheng, Christian Henkel, Shiyu Nie, Alexandre Beelen, Renyue Cen, Mark Dijkstra, Paul J. Francis, James E. Geach, Kotaro Kohno, Matthew D. Lehnert, Karl M. Menten, Junzhi Wang, Axel Weiss. Infalling gas in a Lyman-α blob. Nature Astronomy, 2020
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