Grupo Estallidos – GR

Las estrellas masivas desempeñan un papel fundamental en la evolución de las galaxias al modificar profundamente el medio interestelar. En sus núcleos sintetizan elementos químicos pesados mediante procesos de fusión nuclear y, al final de sus vidas, muchos de ellos son expulsados al espacio a través de intensos vientos estelares y explosiones de supernova, enriqueciendo el gas de la galaxia. Durante sus primeras etapas evolutivas, estas estrellas emiten además una intensa radiación ultravioleta capaz de ionizar el gas circundante y alterar sus condiciones físicas, pudiendo tanto inhibir como desencadenar la formación de nuevas generaciones de estrellas.

El grupo estudia las propiedades físicas de los estallidos de formación de estrellas masivas con el fin de investigar en detalle los mecanismos por los que los efectos radiativos, mecánicos y químicos de las jóvenes estrellas masivas pueden llegar a transformar regiones individuales, galaxias enteras, e incluso el medio intergaláctico.

Imagen del Hubble de las galaxias de las Antenas, un par de galaxias en proceso de fusión. A medida que las dos galaxias chocan entre sí, nacen miles de millones de estrellas, principalmente en grupos y cúmulos estelares. Los más brillantes y compactos de ellos se denominan supercúmulos estelares. Créditos: Créditos: NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration. Acknowledgement: B. Whitmore ( Space Telescope Science Institute) and James Long (ESA/Hubble).

La formación estelar y la evolución química galáctica están íntimamente relacionadas; son aspectos fundamentales para entender la evolución de las galaxias y se pueden ver alteradas en los entornos físicos extremos. El grupo se centra en estudiar los efectos producidos en dos de estos entornos. De un lado, los núcleos de galaxias activas (AGNs), que albergan un agujero negro supermasivo en su centro, emiten radiación extremadamente intensa e ionizante y se rodean de estallidos de formación estelar. Y, por otro lado, los cúmulos de galaxias, las regiones que albergan la mayor densidad de galaxias en el Universo.  

De forma complementaria, aquí se investiga también el papel de la interacción de las galaxias con su entorno galáctico cercano, incluyendo la incorporación y pérdida de gas, que altera su composición química y su capacidad para formar nuevas estrellas.

Entre los objetivos científicos del estudio de los estallidos en entornos extremos se incluyen los siguientes:

• Identificar la naturaleza de la ionización y el contenido de metales en AGNs de galaxias espirales
• Desarrollar métodos para diferenciar la actividad de agujeros negros de la formación estelar en galaxias enanas
• Modelizar entornos que incluyen choques o flujos de gas
• Estudiar cómo el entorno de los cúmulos de galaxias influye en la formación de estrellas y en la evolución química de las galaxias que los habitan
• Investigar el origen y la naturaleza estelar de la luz intracumular (ICL) en cúmulos cercanos, que puede servir para reconstruir la evolución de los cúmulos a lo largo de la historia cósmica

Imagen del JWST de la galaxia (U)LIRG Arp 220, perteneciente a la muestra de un estudio del grupo que aplicó por primera vez sobre una muestra de galaxias LIGRs y ULIGrs un  método de análisis que permite medir las abundancias de elementos químicos directamente utilizando las líneas de emisión del gas ionizado en el rango infrarrojo. Crédito: NASA, ESA, CSA, K. Pontoppidan (STScI), A. Pagan (STScI)

Se cree que la reionización del Universo (el paso del medio intergaláctico de neutro a ionizado) fue producida por galaxias pequeñas, compactas y pobres en metales. En ellas se produjeron enormes estallidos de formación estelar que generaron numerosas estrellas masivas capaces de emitir grandes cantidades de radiación ionizante. Parte de esta radiación escapó de las galaxias hacia el medio intergaláctico, contribuyendo a su reionización.

Dado que observar estas galaxias primitivas es difícil por su lejanía, se estudian sus «análogos locales»: galaxias cercanas con propiedades extremas muy similares, como las galaxias XMD (extremadamente pobres en metales) o las EELGs (galaxias con líneas de emisión extremas).

El objetivo fundamental de esta línea es entender cómo son las primeras galaxias (desde los primeros cientos de millones de años tras el Big Bang hasta el denominado “mediodía cósmico”, la época de máxima actividad de formación estelar en el Universo) y cómo lograron reionizar el Universo.

Para ello, se persiguen, entre otros, los siguientes objetivos específicos centrados en los análogos locales:

• Detectarlos y analizar en detalle sus propiedades físicas
• Caracterizar los brotes violentos de formación estelar
• Modelizar con precisión las fuentes ionizantes y la evolución de estrellas masivas
• Analizar el escape de radiación ionizante y la quimio-dinámica del medio ionizado

También en esta línea, y en conexión con la línea de instrumentación, el grupo aborda el objetivo de desarrollar la ciencia preparatoria, así como simulaciones de observaciones de galaxias primitivas, con vistas a la optimización de la explotación científica del futuro espectrógrafo MOSAIC para el telescopio ELT, en cuya construcción el grupo participa.

La galaxia IZw18 captada por el Hubble. Crédito: NASA, ESA, Y. Izotov (MAO, Kyiv, UA) y T. Thuan (Universidad de Virginia)

Uno de los grandes retos de la astronomía extragaláctica es afrontar la enorme cantidad de galaxias que pueblan el universo. Para estudiarlas de forma eficiente se necesitan instrumentos capaces de obtener simultáneamente información de un gran número de objetos y con una precisión cada vez mayor. Los espectrógrafos multiobjeto responden a esta necesidad, permitiendo analizar la luz de numerosas galaxias al mismo tiempo.

En este contexto, el grupo participa en el desarrollo de MOSAIC, el espectrógrafo multiobjeto de nueva generación del Extremely Large Telescope (ELT) del Observatorio Europeo Austral (ESO). Este instrumento permitirá realizar observaciones en el rango visible y en el infrarrojo de más del centenar de objetos simultáneamente. La contribución al desarrollo de MOSAIC proporcionará además acceso prioritario a sus datos científicos, que servirán para impulsar todas las líneas de investigación del grupo.

El principal objetivo tecnológico dentro del proyecto es diseñar la electrónica y el software de control de los dispositivos criogénicos del espectrógrafo que trabaja en el infrarrojo cercano (NIR-SPEC).

Impresión artística del espectrógrafo multiobjeto MOSAIC. Crédito: ESO

Los sistemas criogénicos son esenciales en los espectrógrafos infrarrojos, ya que mantienen los detectores a temperaturas extremadamente bajas para reducir el ruido térmico y maximizar su sensibilidad. En el caso de MOSAIC, esta capacidad resulta especialmente importante porque uno de sus principales objetivos científicos es estudiar algunas de las primeras galaxias formadas en el Universo y mejorar nuestra comprensión de la época de la reionización. Debido a la expansión del Universo, la luz ultravioleta emitida por estas galaxias hace más de 13.000 millones de años llega actualmente desplazada hacia longitudes de onda infrarrojas, por lo que solo puede observarse mediante instrumentos altamente sensibles en ese rango espectral.