Una imagen deformada y magnificada de la galaxia descubierta por el Observatorio Espacial Herschel, una de las cinco galaxias descubierta por el telescopio infrarrojo.
El espejo de Herschel es el mayor espejo de la astronomía jamás lanzado en el espacio (3,5 metros, con cerca de 11.5 metros de ancho), puede tomar las imágenes más nítidas hasta la fecha en las longitudes de onda que detecte.
"El objetivo de Herschel es comprender cómo las estrellas se forman dentro de las galaxias y arrojar algo de luz sobre la historia pasada del crecimiento de las galaxias", dijo Cooray, investigador de Herschel.
Fábricas de polvo de estrellas
"Los astrónomos creen que la mayoría de las galaxias se someten a una rápida fase de formación estelar donde cientos de miles de estrellas nacen dentro de una galaxia más de un año, este tipo de actividad dura más de un período total de unos pocos a varios millones de años", dijo Cooray.
"Esta fase consiste en estrellas que se forman en nubes envueltas por el polvo", dijo. "Desafortunadamente los observatorios espaciales operan en longitudes de onda óptica y luz visible y no pueden penetrar las nubes de polvo para ver las estrellas jóvenes en su interior."
A pesar de que la galaxia de fondo se ve con una lente gravitacional a menudo no puede ser visto por telescopios de luz visible, los objetos antiguos todavía brillan con la energía radiante en lo que se llama el rango de longitudes de onda submilimétricas de la luz de cerca de 0.3 milímetros a 1 milímetro. El observatorio Herschel fue diseñado específicamente para detectar la energía en longitudes de onda submilimétricas, entre las microondas y las regiones del infrarrojo lejano del espectro electromagnético.
En un reciente artículo en la revista Ciencia, Cooray y el resto del equipo de describen cómo se utilizaron los datos del estudio ATLAS-Herschel, junto con los instrumentos basados en varios observatorios de tierra en todo el mundo, para buscar y precisar estas ténues fábricas de estrellas.
Utilizando los mapas realizados por Herschel, los investigadores eligieron cinco lentes gravitatorias como "candidatas". Estas fueron las más brillantes que pudieron encontrar en las imágenes de onda submilimétricas, que cuenta sólo una pequeña parte del universo.
"Para demostrar que estas galaxias brillantes son, en efecto alineaciones de lentes de una débil galaxia más distante magnificada por una galaxia masiva se necesita establecer las distancias tanto a la galaxia de fondo que se ve en Herschel como la galaxia en primer plano que se ve en las imágenes ópticas a lo largo la misma dirección del cielo", dijo Cooray.
Para calcular estas distancias, probaron a cada candidata su desplazamiento de luz al rojo.
Un cambio en la dirección de color rojo
El desplazamiento hacia el rojo es causado por la expansión del espacio como medida de la edad del universo. Cuanto más lejos está un objeto, más larga su extensión en longitudes de onda. Debido a que la luz roja tiene longitudes de onda más larga que la luz visible, el fenómeno se llama corrimiento al rojo.
Para medir el corrimiento al rojo de las galaxias, la NSF ha contribuido el apoyo de dos instrumentos fundamentales: El Z-Spec, ubicado en el Observatorio de Caltech Submilimétrico (OSC), en la cima del Mauna Kea en Hawaii, y Zpectrometer en el Green del Observatorio Nacional de Radioastronomía de Bank Telescope (GBT) en Virginia Occidental.
Según Andrew Harris, profesor de la Universidad del Departamento de Maryland de la Astronomía, los dos instrumentos fueron nombrados después de la letra "z", lo que en astrofísica se utiliza como un símbolo de corrimiento al rojo. Harris es el investigador principal de la Zpectrometer, en BTV.
"El objetivo de este proyecto era construir una" máquina de corrimiento al rojo "que puede encontrar los desplazamientos al rojo de galaxias distantes, con muy poca información adicional," dijo Harris. "Entonces, podemos utilizar la información de los espectros para entender los medios de comunicación de las galaxias interestelares."
Huellas dactilares galácticas
Tanto el Z-Spec y la medida Zpectrometer miden las líneas espectrales de la radiación entrante. Las líneas espectrales son patrones de líneas claras u oscuras que aparecen en determinadas longitudes de onda de los átomos o moléculas específicas. Estas líneas se pueden utilizar como una firma o huella digital, para identificar los tipos de gases que se encuentran en la galaxia que se está midiendo.
Los instrumentos miden el desplazamiento al rojo, midiendo el cambio en la longitud de onda de estas líneas espectrales causadas por la expansión del universo. A mayor distancia significa una mayor corrimiento al rojo.
"Por supuesto, para medir un cambio en la longitud de onda, primero se debe saber cuál es la longitud de onda original", dijo James Aguirre, profesor de la Universidad de Pennsylvania y principal investigador del Z-Spec en CSO. "Esta es una gran ayuda si podemos identificar una línea de emisión, cuya identidad es conocida, y por lo que sabemos, la longitud de onda de emisión está reposo por las mediciones de laboratorio."
Debido a que el monóxido de carbono (CO) es abundante en las galaxias distantes, los científicos la usan como una "huella digital" para calcular el desplazamiento al rojo de una galaxia.
"Usted puede pensar en las líneas espectrales de CO como la marca en una regla, que se extiende en función de la distancia de la galaxia", dijo Aguirre. "La medición de la cantidad de estiramiento da el corrimiento al rojo."
"Cuanto mayor es el corrimiento al rojo cuanto más lejos está la galaxia", dijo Cooray. "Las galaxias que hemos encontrado están en desplazamientos al rojo en torno a 3, que corresponden aproximadamente a una edad del universo de 2 a 3 millones de años -. A unos 11 mil millones de años en el pasado a partir de hoy"
Galaxias lentes confirmadas
Aguirre y el equipo de Z-Spec en el Observatorio de Caltech Submilimétrico observaron tres de las cinco candidatas a ser galaxias lente y descubrió que los desplazamientos al rojo fueron superiores e incompatibles con el corrimiento al rojo derivados de la espectroscopia óptica de la galaxia en primer plano visible.
"Z-Spec ha demostrado específicamente que estas tres galaxias Herschel-ATLAS se encuentran en alto corrimiento al rojo", dijo Aguirre. "Como consecuencia de esto los investigadores fueron capaces de confirmar que las galaxias más brillantes de los datos son lentes gravitacionales".
Mientras tanto, el equipo Zpectrometer en el Telescopio de Green Bank fue capaz de confirmar de manera independiente la distancia de una de las cinco galaxias para medir la distancia de otra.
"Mostramos que las cinco galaxias brillantes que se ven por Herschel son lentes, lo no es cierto, por ejemplo, cuando nos fijamos en las imágenes ópticas del cielo", dijo Cooray. Sin Herschel, estos objetivos habrían sido completamente desapercibidos.
Entender las estrellas
"Dado que hemos encontrado cinco galaxias con lentes fácilmente con sólo el dos por ciento del escaneo de nuestro mapa final, la expectativa es que vamos a encontrar cientos de objetos con Herschel", dijo Cooray.
Y con estos objetivos múltiples, los científicos esperan indagar más en el pasado, a fin de comprender mejor la historia de los inicios del universo.
"Las galaxias grandes en esta primera época son inesperadas debido a nuestro actual modelo de reunión de masas en el universo", dijo Harris, "Así que encontrar y explicar la existencia de jóvenes y muy masivas galaxias establece serias restricciones a los modelos que hoy entendemos. "