Galaxias débiles iluminan la reionización cósmica
Un nuevo estudio revela que las galaxias ultra-tenues jugaron un papel crucial en la reionización cósmica.
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Tabla de contenidos
Las galaxias de baja masa del universo temprano se piensan que son los bloques básicos de nuestras galaxias actuales. Estos sistemas tempranos probablemente jugaron un papel importante en un proceso conocido como Reionización Cósmica. Esto sucede cuando el universo pasó de tener principalmente hidrógeno neutro a estar lleno de plasma ionizado, lo que ocurrió aproximadamente entre 600 y 800 millones de años después del Big Bang. Sin embargo, estudiar estas galaxias ha sido complicado debido a su extrema debilidad.
Este artículo habla sobre un estudio reciente que realizó el primer análisis detallado de ocho galaxias ultra-débiles durante la época de reionización. Estas galaxias tienen niveles de brillo absoluto entre ciertos valores, lo que las hace muy difíciles de ver. Con la ayuda de observaciones ultra profundas de un telescopio especial y el efecto de Lente Gravitacional de un cúmulo de galaxias conocido como Abell 2744, los investigadores han podido recopilar la primera información sobre estas galaxias y su producción de radiación ionizante durante el primer mil millones de años del universo.
Hallazgos Clave
El estudio encontró que estas galaxias débiles emiten una cantidad impresionante de Fotones ionizantes, que son esenciales para la reionización. La tasa de producción de fotones ionizantes medida es significativamente más alta de lo que se asume típicamente para galaxias de este tipo. Este descubrimiento indica que estas galaxias débiles contribuyen más a la reionización cósmica de lo que se pensaba anteriormente. Incluso con una suposición modesta de cuánto de la radiación escapa de estas galaxias, la cantidad total producida es más que suficiente para impulsar el proceso de reionización.
Investigando las Galaxias
Para llevar a cabo este estudio, los investigadores combinaron datos de imágenes detalladas con imágenes adicionales del Telescopio Espacial Hubble del cúmulo de lente gravitacional Abell 2744. Esta combinación ayuda a identificar candidatos a galaxias extremadamente débiles de la época de reionización. Los investigadores utilizaron siete filtros de banda ancha diferentes para recopilar datos de iluminación.
Aplicaron un método para seleccionar galaxias potenciales según sus colores. Cuando la luz de estas galaxias débiles pasa a través del universo, puede perderse en ciertas longitudes de onda debido a la absorción por el gas de hidrógeno neutro. Este proceso permitió a los investigadores identificar muchas de estas galaxias débiles, confirmando su existencia con observaciones adicionales.
Luego, los investigadores usaron una técnica llamada ajuste de distribución de energía espectral para estimar las distancias a estas galaxias. Buscaron características específicas que indicarían el brillo y la edad de las galaxias.
El Papel de la Lente Gravitacional
Uno de los aspectos importantes de este estudio es el uso de la lente gravitacional, que es cuando un cúmulo de galaxias dobla la luz de objetos distantes, haciéndolos parecer más brillantes. Para obtener una idea precisa de cuánto se amplificó la luz de las galaxias, los investigadores dependieron de un modelo actualizado de la distribución de masa en el cúmulo de galaxias. Los factores de amplificación para las ocho galaxias débiles en el estudio variaron ampliamente, permitiendo mediciones precisas de su verdadero brillo.
Se realizó un análisis espectroscópico detallado utilizando un instrumento específico para captar la luz de estas galaxias débiles. Se recopilaron datos durante varias horas en diferentes lugares dentro del cúmulo, ayudando a formar una vista completa de las propiedades de las galaxias.
El análisis espectroscópico reveló características cruciales de estas galaxias. Se encontró una señal clara en una longitud de onda específica asociada con el corte de Lyman, junto con líneas de emisión fuertes que indican formación activa de estrellas. Esta información permitió a los investigadores determinar distancias precisas a estas galaxias.
Propiedades Físicas de las Galaxias
Después de identificar y medir las galaxias, los investigadores pudieron calcular sus tamaños y masas estelares. Los resultados mostraron que las galaxias son bastante pequeñas, con tamaños efectivos que varían de unas pocas decenas a unos pocos cientos de parsecs. A pesar de su pequeño tamaño, muestran signos de rápida formación estelar, lo que indica que estas galaxias son muy jóvenes.
Las galaxias mostraron una alta tasa específica de formación estelar, sugiriendo que pueden duplicar su masa estelar muy rápido. Esta formación rápida es consistente con teorías sobre su desarrollo temprano en el universo.
Contribución a la Reionización Cósmica
La reionización cósmica marca una transición esencial en la evolución del universo temprano, convirtiendo un cosmos lleno de hidrógeno en uno que eventualmente formaría estrellas y galaxias. Se cree que las galaxias generan la radiación necesaria para este proceso de reionización. Los investigadores destacan que la tasa a la que las galaxias producen radiación ionizante es crítica para entender cómo pueden influir en la reionización.
Los hallazgos sugieren que las galaxias débiles son las principales fuentes de luz ultravioleta durante la época de reionización. Aunque la mayoría de los estudios se han centrado en galaxias más brillantes, esta investigación es innovadora al proporcionar información sobre los roles de los miembros más débiles de la población de galaxias.
Usando los nuevos datos adquiridos, los investigadores pudieron medir directamente la eficiencia ionizante de estas galaxias débiles por primera vez. Descubrieron que la producción medida de fotones ionizantes era aproximadamente cuatro veces mayor de lo esperado. Esto significa que incluso una pequeña fracción de la radiación que escapa de estas galaxias es suficiente para apoyar la reionización cósmica.
Función de Luminosidad UV y Fracción de Escape
Para obtener una imagen completa de cómo estas galaxias contribuyen a la reionización, el estudio también se centró en calcular la función de luminosidad ultravioleta (UV) de las galaxias débiles. Al observar los niveles de brillo, los investigadores pudieron determinar la densidad total de luz UV que contribuyen estas galaxias.
Encontraron que estas galaxias ultra-débiles contribuyen significativamente a la densidad total de luz UV. Su función de luminosidad se alinea bien con estudios previos que examinaron el brillo de otras poblaciones de galaxias. Esta comprensión ayuda a clarificar cuánto de radiación está disponible para la reionización.
Además, los investigadores examinaron cuánto de la radiación ionizante escapa de estas galaxias al espacio circundante. Encontraron que las bajas fracciones de escape aún eran bastante efectivas para asegurar que suficientes fotones ionizantes llegaran al medio intergaláctico.
Conclusión
En resumen, este estudio marca un paso significativo hacia la comprensión del papel de las galaxias débiles en el universo temprano. Los hallazgos sugieren que estas galaxias ultra-débiles fueron motores clave de la reionización, contribuyendo más al proceso de lo que se asumió anteriormente. Su alta producción de fotones ionizantes y sus rápidas tasas de formación estelar proporcionan nuevas perspectivas sobre la compleja historia de la formación y evolución de galaxias.
Al arrojar luz sobre estas galaxias esquivas, los investigadores están mapeando la historia del universo con mayor detalle, revelando la importancia de incluso las estrellas y galaxias más débiles en la conformación del cosmos tal como lo conocemos hoy. A medida que los científicos continúan investigando estas galaxias tempranas, desentrañarán aún más los misterios de los años formativos del universo, ofreciendo nuevas perspectivas sobre cómo llegamos a ser.
Título: Most of the photons that reionized the Universe came from dwarf galaxies
Resumen: The identification of sources driving cosmic reionization, a major phase transition from neutral Hydrogen to ionized plasma around 600-800 Myr after the Big Bang (Dayal et al. 2018, Mason et al. 2019, Robertson et al. 2022), has been a matter of intense debate (Robertson et al. 2022). Some models suggest that high ionizing emissivity and escape fractions ($f_{\rm esc}$) from quasars support their role in driving cosmic reionization (Madau & Haardt 2015, Mitra et al. 2018). Others propose that the high $f_{\rm esc}$ values from bright galaxies generates sufficient ionizing radiation to drive this process (Naidu et al. 2020). Finally, a few studies suggest that the number density of faint galaxies, when combined with a stellar-mass-dependent model of ionizing efficiency and $f_{\rm esc}$, can effectively dominate cosmic reionization (Finkelstein et al. 2019, Dayal et al. 2020). However, so far, low-mass galaxies have eluded comprehensive spectroscopic studies owing to their extreme faintness. Here we report an analysis of eight ultra-faint galaxies (in a very small field) during the epoch of reionization with absolute magnitudes between $M_{\rm UV}$ $\sim -17$ to $-15$ mag (down to 0.005 $L^{\star}$. We find that faint galaxies during the Universe's first billion years produce ionizing photons with log($\xi_{\mathrm{ion}}$/ Hz erg$^{-1}$) =$25.80\pm 0.14$, a factor of 4 higher than commonly assumed values (Robertson et al. 2015). If this field is representative of the large scale distribution of faint galaxies, the rate of ionizing photons exceeds that needed for reionization, even for escape fractions of order five per cent.
Autores: Hakim Atek, Ivo Labbé, Lukas J. Furtak, Iryna Chemerynska, Seiji Fujimoto, David J. Setton, Tim B. Miller, Pascal Oesch, Rachel Bezanson, Sedona H. Price, Pratika Dayal, Adi Zitrin, Vasily Kokorev, John R. Weaver, Gabriel Brammer, Pieter van Dokkum, Christina C. Williams, Sam E. Cutler, Robert Feldmann, Yoshinobu Fudamoto, Jenny E. Greene, Joel Leja, Michael V. Maseda, Adam Muzzin, Richard Pan, Casey Papovich, Erica J. Nelson, Themiya Nanayakkara, Daniel P. Stark, Mauro Stefanon, Katherine A. Suess, Bingjie Wang, Katherine E. Whitaker
Última actualización: 2024-04-30 00:00:00
Idioma: English
Fuente URL: https://arxiv.org/abs/2308.08540
Fuente PDF: https://arxiv.org/pdf/2308.08540
Licencia: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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