[:en]ALMA Unveil Galaxies at Cosmic Dawn That Were Hiding Behind the Dust[:es]ALMA revela galaxias al principio del tiempo que son invisibles debido al polvo cósmico[:]

[:en]While investigating the data of young, distant galaxies observed with the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), Yoshinobu Fudamoto from Waseda University and the National Astronomical Observatory of Japan noticed unexpected emissions coming from seemingly empty regions in space that, a global research team confirmed, came actually from two hitherto undiscovered galaxies heavily obscured by cosmic dust. This discovery suggests that numerous such galaxies might still be hidden in the early Universe, many more than researchers were expecting.

When astronomers peer deep into the night sky, they observe what the Universe looked like a long time ago. Because the speed of light is finite, studying the most distant observable galaxies allows us to glimpse billions of years into the past when the Universe was very young and galaxies had just started to form stars. Studying this “early Universe” is one of the last frontiers in astronomy and is essential for constructing accurate and consistent astrophysics models. A key goal of scientists is to identify all the galaxies in the first billion years of cosmic history and to measure the rate at which galaxies were growing by forming new stars.

Various efforts have been made over the past decades to observe distant galaxies, which are characterized by electromagnetic emissions that become strongly redshifted (shifted towards longer wavelengths) before reaching the Earth. So far, our knowledge of early galaxies has mostly relied on observations with the Hubble Space Telescope (HST) and large ground-based telescopes, which probe their ultra-violet (UV) emission. However, recently, astronomers have started to use the unique capability of the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) telescope to study distant galaxies at submillimeter wavelengths. This could be particularly useful for studying dusty galaxies missed in the HST surveys due to the dust absorbing UV emission. Since ALMA observes in submillimeter wavelengths, it can detect these galaxies by observing the dust emissions instead.

In an ongoing large program called REBELS (Reionization-Era Bright Emission Line Survey), astronomers are using ALMA to observe the emissions of 40 target galaxies at cosmic dawn. Using this dataset, they have recently discovered that the regions around some of these galaxies contain more than meets the eye.

While analyzing the observed data for two REBELS galaxies, Fudamoto noticed strong emission by dust and singly ionized carbon in positions substantially offset from the initial targets. To his surprise, even highly sensitive equipment like the HST couldn’t detect any UV emission from these locations. To understand these mysterious signals, Fudamoto and his colleagues investigated matters further.

In their latest paper published in Nature, astronomers presented a thorough analysis, revealing that these unexpected emissions came from two previously unknown galaxies located near the two original REBELS targets. These galaxies are not visible in the UV or visible wavelengths as they are almost completely obscured by cosmic dust.  One of them represents the most distant dust-obscured galaxy discovered so far.

What is most surprising about this serendipitous finding is that the newly discovered galaxies, which formed more than 13 billion years ago, are not strange at all when compared with typical galaxies at the same epoch. “These new galaxies were missed not because they are extremely rare, but only because they are completely dust-obscured,” explains Fudamoto. However, it is uncommon to find such “dusty” galaxies in the early period of the Universe (less than 1 billion years after the Big Bang), suggesting that the current census of early galaxy formation is most likely incomplete, and would call for deeper, blind surveys. “It is possible that we have been missing up to one out of every five galaxies in the early Universe so far,” Fudamoto adds.

The researchers expect that the unprecedented capability of the James Webb Space Telescope (JWST) and its strong synergy with ALMA would lead to significant advances in this field in the coming years. “Completing our census of early galaxies with the currently missing dust-obscured galaxies, like the ones we found this time, will be one of the main objectives of JWST and ALMA surveys in the near future,” states Pascal Oesch from University of Geneva.

Overall, this study constitutes an important step in uncovering when the very first galaxies started to form in the early Universe, which in turn shall help us understand where we are standing today.

Additional Information

These research results are published as Yoshinobu Fudamoto et al. “Normal, Dust-Obscured Galaxies in the Epoch of Reionization” in the journal Nature on September 22, 2021.

The original image release was published by the National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) an ALMA partner on behalf of East Asia.

The Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), an international astronomy facility, is a partnership of ESO, the U.S. National Science Foundation (NSF) and the National Institutes of Natural Sciences (NINS) of Japan in cooperation with the Republic of Chile. ALMA is funded by ESO on behalf of its Member States, by NSF in cooperation with the National Research Council of Canada (NRC) and the Ministry of Science and Technology (MOST) and by NINS in cooperation with the Academia Sinica (AS) in Taiwan and the Korea Astronomy and Space Science Institute (KASI).

ALMA construction and operations are led by ESO on behalf of its Member States; by the National Radio Astronomy Observatory (NRAO), managed by Associated Universities, Inc. (AUI), on behalf of North America; and by the National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ) on behalf of East Asia. The Joint ALMA Observatory (JAO) provides the unified leadership and management of the construction, commissioning and operation of ALMA.

taken from ALMA press releases:

[:es]Los científicos descubren accidentalmente dos galaxias completamente ocultas que se formaron cuando el Universo tenía solo el 5% de su edad actual.

Mientras investigaban nuevos datos de galaxias jóvenes y extremadamente distantes observadas con el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) en Chile, los astrónomos observaron emisiones inesperadas provenientes de regiones aparentemente vacías del espacio. La colaboración de investigación global llamada REBELS, que incluye a dos miembros de la Universidad de Chile y la Universidad Diego Portales, descubrió que la radiación se emitió hace miles de millones de años desde dos galaxias previamente invisibles, completamente ocultas por nubes de gas cósmico y polvo. Este descubrimiento sugiere que el censo actual de galaxias en el Universo temprano es todavía muy incompleto.  Los resultados de este trabajo fueron publicados en la prestigiosa revista Nature.

Figura 1. Impresión artística de la galaxia recién descubierta mientras está enterrada profundamente en el polvo cósmico. Créditos: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), NASA/ESA Telescopio Espacial Hubble

Cuando los astrónomos miran profundamente en el cielo nocturno, observan cómo era el Universo hace mucho tiempo. Debido a que la luz viaja a través del tiempo cósmico, las imágenes de las galaxias observables más distantes nos proporcionan una visión de miles de millones de años en el pasado.

En un programa a gran escala de ALMA llamado REBELS (Reionization-Era Bright Emission Line Survey), los astrónomos están utilizando las capacidades únicas de este telescopio para estudiar galaxias distantes en longitudes de onda de aproximadamente un milímetro. Un objetivo clave es medir qué tan rápido crecen las galaxias jóvenes formando nuevas estrellas.

“Cómo las galaxias más jóvenes del Universo comenzaron a formar las primeras estrellas, es una de las  preguntas más importantes de la astronomía actual”, comenta el Prof. Valentino González de la Universidad de Chile e investigador del Centro de Astronomía y Tecnologías Afines (CATA), quien es co-autor del estudio

El equipo de REBELS observó 40 galaxias distantes en un momento en que el Universo tenía solo el 5% de su edad actual. Mientras analizaban las imágenes de dos de las galaxias, los astrónomos notaron una misteriosa y fuerte emisión  en longitudes de onda milimétricas lejos de los objetivos previstos. Para su sorpresa,  el Telescopio Espacial Hubble, que sondea el cielo en longitudes de onda visibles más cortas, no pudo ver nada en estos lugares.

Para comprender estos resultados contradictorios, los investigadores de REBELS investigaron el asunto más a fondo. El análisis detallado de las señales mostró que estas eran, de hecho, otras galaxias, repletas de estrellas y que habían sido completamente pasadas por alto. El autor principal, el Dr. Fudamoto  (Universidad de Waseda  y Observatorio Astronómico Nacional de Japón) explica: \\\”Estas nuevas galaxias se perdieron no porque sean extremadamente raras, sino solo porque están completamente oscurecidas por el polvo.”   ALMA pudo resolver el rompecabezas porque en longitudes de onda milimétricas puede detectar la emisión de átomos de polvo y carbono en el gas que rodea las galaxias. Una de las galaxias representa la galaxia oscurecida por el polvo más distante descubierta hasta ahora.

Figura. Galaxias distantes fotografiada con ALMA, el Telescopio Espacial Hubble y el telescopio VISTA del Observatorio Europeo Austral. Los colores verde y naranja representan radiaciones de átomos de carbono ionizados y partículas de polvo, respectivamente, observadas con ALMA, y el azul representa la radiación infrarroja cercana observada con los telescopios espaciales VISTA y Hubble. REBELS-12 y REBELS-29 detectaron tanto radiación infrarroja cercana como radiación de átomos de carbono ionizados y polvo. Por otro lado, REBELS-12-2 y REBELS-29-2 no se han detectado en el infrarrojo cercano, lo que sugiere que las galaxias están profundamente enterradas en el polvo. Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), NASA/ESA Hubble Space Telescope, ESO, Fudamoto et al.

Lo sorprendente de este hallazgo accidental es que las galaxias recién descubiertas, que existieron hace 13 mil millones de años, son similares a las galaxias que se sabe que existen en épocas posteriores. Sin embargo, fue inesperado encontrar tales galaxias envueltas en polvo tan temprano, menos de 1.000 millones de años después del Big Bang. El coautor Prof. Manuel Aravena (Universidad Diego Portales) aclara: \\\”El polvo cósmico y el gas que permea y envuelve a estas galaxias hace que no sean fácilmente visibles con telescopios ópticos. Sólo el poder y sensibilidad de ALMA a este polvo nos ha permitido develar la existencia de estas galaxias.”

En general, este estudio constituye un paso importante para descubrir la verdadera naturaleza e historia del Universo primitivo, lo que a su vez nos ayudará a comprender dónde estamos parados hoy.

Referencia

Autores Título del artículo original Diario	Y. Fudamoto1,2,3, P. A. Oesch1,4,S. Schouws5, M. Stefanon5, R. Smit6, R. J. Bouwens5, R. A. A. Bowler7, R. Endsley8, V. Gonzalez9,10, H. Inami11, I. Labbe12, D. Stark8, M. Aravena13, L. Barrufet1, E. da Cunha14,15, P. Dayal16, A. Ferrara17,L. Graziani18,20, 27,J. Hodge5, A. Hutter16, Y. Li21,22, I. De Looze23,24, T. Nanayakkara12, A. Pallottini17, D. Riechers25, R. Schneider  18,19,26,27, G. Ucci16, P. van der Werf5, C. Blanco8 Galaxias normales oscurecidas por el polvo en la época de la reionización Nature
Afiliaciones	10.1038/s41586-021-03846-z 1 Departamento de Astronomía, Universidad de Ginebra 2 Instituto de Investigación para la Ciencia y la Ingeniería, Universidad de Waseda;   3Observatorio Astronómico Nacional de Japón 4 Cosmic Dawn Center (DAWN), Instituto Niels Bohr, Universidad de Copenhague 5 Observatorio de Leiden, Universidad de Leiden 6 Astrophysics Research Institute, Liverpool John  Moores  University 7 Subdepartamental de Astrofísica, Edificio Denys Wilkinson, Universidad de Oxford 8 Observatorio Steward, Universidad de Arizona 9 Departmento de Astronomia, Universidad de Chile 10 Centro de Astrofisica y Tecnologias Afines (CATA) 11 Centro de Ciencias Astrofísicas de Hiroshima, Universidad de Hiroshima 12 Centro de Astrofísica y Supercomputación, Universidad Tecnológica de Swinburne 13 Núcleo de Astronomía, Facultad de Ingenieria y Ciencias, Universidad Diego Portales 14 Centro Internacional de Investigación radioastronomía, Universidad de Australia Occidental 15 Arc Centro de Excelencia para Toda la Astrofísica del Cielo en 3 Dimensiones (ASTRO 3D) 16 Instituto AstronómicoKapteyn, Universidad de Groningen 17 Scuola Normale Superiore 18 Departamento de Física, Sapienza, Universidad de Roma 19 INAF/Observatorio Astronómico de Roma 20 INAF/Observatorio Astrofísico de Arcetri 21 Departamento de Astronomía y Astrofísica,Universidad Estatal de Pensilvania 22 Instituto para la Gravitación y el Cosmos, Universidad Estatal de Pensilvania 23 ObservatorioSterrenkundig ,Universidad de Gante 24 Departamento de Física y Astronomía, University College London 25 Universidad de Cornell 26 Escuela de Estudios Avanzados Sapienza 27 INFN, Roma, Italia

El Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), una instalación astronómica internacional, es una asociación de ESO, la Fundación Nacional de Ciencias de los Estados Unidos (NSF) y los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales (NINS) de Japón en cooperación con la República de Chile. ALMA es financiado por ESO en nombre de sus Estados Miembros, por NSF en cooperación con el Consejo Nacional de Investigación de Canadá (NRC) y el Ministerio de Ciencia y Tecnología(MOST) y por NINS en cooperación con la Academia  Sinica  (AS) en Taiwán y el Instituto de Astronomía y Ciencia Espacial de Corea (KASI).

La construcción y las operaciones de ALMA son dirigidas por ESO en nombre de sus Estados Miembros; por el National Radio Astronomy Observatory (NRAO), administrado por Associated Universities, Inc. (AUI), en nombre de América del Norte; y por el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) en nombre de Asia Oriental. El Observatorio Conjunto de ALMA (JAO) proporciona el liderazgo y la gestión unificados dela construcción,  puesta en marcha y operación de ALMA.

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