Astrónomos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y de otros observatorios han utilizado un grupo masivo de galaxias como lupa de rayos X para mirar hasta hace casi 9.400 millones de años.

En el proceso, vieron una pequeña galaxia enana en sus primeras etapas de formación estelar de alta energía, según publican en la revista ‘Nature Astronomy’.

Si bien los cúmulos de galaxias se han utilizado para ampliar objetos a longitudes de onda ópticas, esta es la primera vez que los científicos aprovechan estos gigantes gravitacionales masivos para acercarse a fenómenos extremos, distantes y emisores de rayos X.

Lo que detectaron parece ser una mota azul de una galaxia infantil, aproximadamente 1/10.000 del tamaño de nuestra Vía Láctea, en medio de la producción de sus primeras estrellas: objetos supermasivos y de vida corta cósmica que emiten rayos X de alta energía, que los investigadores detectaron en forma de un arco azul brillante.

“Es esta pequeña mancha azul lo que significa que es una galaxia muy pequeña que contiene muchas estrellas jóvenes súper calientes y muy masivas que se formaron recientemente –explica Matthew Bayliss, científico investigador del Instituto Kavli de Astrofísica e Investigación Espacial del MIT–. Esta galaxia es similar a las primeras galaxias que se formaron en el universo, del tipo de las que nadie había visto nunca antes en rayos X en el universo distante”.

Bayliss asegura que la detección de esta galaxia única y distante es una prueba de que los científicos pueden usar cúmulos de galaxias como lupas de rayos X naturales, para detectar fenómenos extremos y altamente energéticos en la historia temprana del universo.

“Con esta técnica podríamos, en el futuro, acercarnos a una galaxia distante y fechar diferentes partes de ella, es decir, esta parte tiene estrellas que se formaron hace 200 millones de años, frente a otra parte que se formó hace 50 millones de años y separarlos de una manera que de otro modo no se podría hacer”, aclara Bayliss.

Los cúmulos de galaxias son los objetos más masivos del universo, compuestos de miles de galaxias, todos unidos por la gravedad como una fuerza enorme y poderosa. Los cúmulos de galaxias son tan masivos y su atracción gravitacional es tan fuerte que pueden distorsionar la estructura del espacio-tiempo, doblando el universo y cualquier luz circundante, como un elefante se estiraría y deformaría una red de trapecio.

Los científicos han utilizado cúmulos de galaxias como lupas cósmicas, con una técnica conocida como lentes gravitacionales. La idea es que si los científicos pueden aproximar la masa de un cúmulo de galaxias, pueden estimar sus efectos gravitacionales en cualquier luz circundante, así como el ángulo en el que un cúmulo puede desviar esa luz.

Por ejemplo, imagimenos si un observador, frente a un cúmulo de galaxias, intentara detectar un objeto, como una galaxia, detrás de ese cúmulo. La luz emitida por ese objeto viajaría directamente hacia el grupo, luego se doblaría alrededor del grupo. Continuaría viajando hacia el observador, aunque en ángulos ligeramente diferentes, apareciendo para el observador como imágenes reflejadas del mismo objeto, que al final se pueden combinar como una sola imagen “ampliada”.

Los científicos han usado cúmulos de galaxias para magnificar objetos a longitudes de onda ópticas, pero nunca en la banda de rayos X del espectro electromagnético, principalmente porque los cúmulos de galaxias emiten una enorme cantidad de rayos X. Han calculado que cualquier radiografía proveniente de una fuente de fondo sería imposible de discernir a partir del resplandor del grupo.

“Si está tratando de ver una fuente de rayos X detrás de un grupo, es como tratar de ver una vela junto a una luz realmente brillante –señala Bayliss–. Así que sabíamos que era una medida difícil de hacer”.

Los investigadores se preguntaron: ¿podrían restar esa luz brillante y ver la vela etrás de ella? En otras palabras, ¿podrían eliminar las emisiones de rayos X que provienen del cúmulo de galaxias, para ver los rayos X mucho más débiles que provienen de un objeto, detrás y magnificados por el cúmulo?

El equipo probó esta idea con observaciones tomadas por el Observatorio de rayos X Chandra de la NASA, uno de los telescopios espaciales de rayos X más potentes del mundo. Observaron en particular las mediciones de Chandra del cúmulo Fénix, un cúmulo de galaxias distante ubicado a 5.700 millones de años luz de la Tierra, que se estima que es aproximadamente un billón de veces más grande que el sol.

“La idea es tomar el mejor telescopio de rayos X, en este caso Chandra, y usar una lente natural para ampliar y hacer que Chandra sea más grande, para que pueda ver cosas más distantes”, explica Bayliss.

Él y sus colegas analizaron observaciones del grupo Phoenix, tomadas continuamente por Chandra durante más de un mes. También observaron imágenes del cúmulo tomadas por dos telescopios ópticos e infrarrojos: el telescopio espacial Hubble y el telescopio Magellan en Chile.

Con todos estos diversos puntos de vista, el equipo desarrolló un modelo para caracterizar los efectos ópticos del grupo, lo que permitió a los investigadores medir con precisión las emisiones de rayos X del grupo y restarlo de los datos.

Se dejaron con dos patrones similares de emisiones de rayos X alrededor del grupo, que determinaron que eran “lentes” o curvados gravitacionalmente por el grupo. Cuando rastrearon las emisiones hacia atrás en el tiempo, descubrieron que todas se originaban en una única fuente distante: una pequeña galaxia enana de hace 9.400 millones de años, cuando el universo mismo tenía aproximadamente 4.400 millones de años, aproximadamente un tercio de su actual años.

“Anteriormente, Chandra había visto solo un puñado de cosas a esta distancia –dice Bayliss–. En menos del 10 por ciento de las veces, descubrimos este objeto, de manera similar muy lejos. Y la lente gravitacional es lo que nos permite hacerlo”.

La combinación de Chandra y el poder de lente natural del cúmulo Phoenix permitió al equipo ver la pequeña galaxia escondida detrás del cúmulo, aumentada unas 60 veces. Con esta resolución, pudieron acercarse para discernir dos grupos distintos dentro de la galaxia, uno produciendo muchos más rayos X que el otro.

Como los rayos X se producen típicamente durante fenómenos extremos de corta duración, los investigadores creen que el primer grupo rico en rayos X señala una parte de la galaxia enana que recientemente ha formado estrellas supermasivas, mientras que la región más tranquila es una región más antigua que contiene estrellas mas maduras.

“Estamos capturando esta galaxia en una etapa muy útil, donde tiene estas estrellas realmente jóvenes –destaca Bayliss–. Cada galaxia tuvo que comenzar en esta fase, pero no vemos muchos de estos tipos de galaxias en nuestro propio vecindario. Ahora podemos retroceder en el tiempo, mirar en el universo distante, encontrar galaxias en esta fase temprana de su vida, y comenzar a estudiar cómo la formación de estrellas es diferente allí”.

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