UDP astronomers obtain the deepest ALMA observations in the Hubble UDF

Un grupo internacional de astrónomos usó el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) para hacer un inventario del polvo y gas molecular presente en galaxias distantes a una profundidad sin precedentes en el icónico Campo Ultraprofundo del Hubble (H-UDF), una de las regiones más estudiadas del cielo. Los resultados finales se publican hoy en una serie de artículos en The Astrophysical Journal. A significant part of these results is led by UDP researchers: Prof.  Manuel Aravena (co-principal investigator),  Dr. Jorge González-Lopez (Carnegie/UDP fellow), Prof. Roberto Assef and Dr. Tanio Diaz-Santos.

Se ha demostrado que las estrellas se forman a partir del colapso gravitacional de densas nubes de gas molecular. Para describir la evolución de las galaxias es indispensable medir su contenido de gas molecular y determinar su evolución en el tiempo cósmico. Dicha medición fue uno de los tres grandes objetivos del proyecto ALMA desde su concepción. Para ello, un grupo internacional de astrónomos llevó a cabo el ALMA SPECtroscopic Survey in the Hubble Ultra-Deep Field (ASPECS), a saber, el primer programa extragaláctico de gran envergadura aprobado por ALMA, ideado para realizar un levantamiento sin sesgos y tridimensional del contenido de gas molecular de las galaxias en el campo profundo extragaláctico mejor estudiado, el emblemático Campo Ultraprofundo del Hubble (H-UDF).

El equipo del ASPECS eligió el H-UDF debido a que permite realizar las mejores observaciones en profundidad y alta resolución en todo el espectro electromagnético, más allá del continuo tradicional, y tiene una ubicación ideal para ALMA. El Dr. Chris Carilli, del Observatorio Radioastronómico Nacional de Estados Unidos (NRAO), explica: “El éxito del ASPECS radica en dos grandes avances: la sensibilidad sin precedentes de ALMA y la base de datos en longitudes de onda múltiples sin parangón disponible sobre el Campo Ultraprofundo del Hubble gracias a las más de 1.000 horas de observación realizadas en las instalaciones astronómicas espaciales y terrestres más avanzadas”.

El equipo del ASPECS también optó por un enfoque conocido como escaneo de frecuencia para obtener mediciones sin sesgos del gas molecular en un volumen cósmico bien definido. Se eligió este enfoque para maximizar las líneas de monóxido de carbono (CO) con alto desplazamiento al rojo, que delatan directamente la presencia de gas molecular, y obtener imágenes del continuo milimétrico del HUDF en profundidades sin precedentes . El Dr. Jorge Gónzalez-López de la Universidad Diego Portales, en Santiago de Chile, explica este método:“La técnica de escaneo de frecuencia es similar a la sintonización de un canal de radio AM/FM: se mueve la perilla hasta obtener señal. Para nosotros, cada uno de estos ‘canales de radio’ es una línea de gas molecular en una galaxia distante”. La validez del enfoque observacional del programa ASPECS quedó demostrada por varios programas piloto llevados a cabo por el interferómetro Plateau de Bure del IRAM y por ALMA en ciclos anteriores. La profundidad sin precedentes de los escaneos en frecuencia milimétrica y las imágenes de continuo de ALMA revelaron la presencia de docenas de galaxias distantes y polvorientas en la región H-UDF, lo cual permitió al equipo del ASPECS responder varias preguntas sobre cómo se forman y crecen las galaxias.

Además de revelar las galaxias que contienen la mayor parte de las reservas de polvo y gas frío del UDF, la gran cantidad de datos recabados en longitudes de onda múltiples disponibles sobre el campo ASPECS/UDF, que incluyen imágenes profundas del telescopio espacial Hubble de la NASA/ESA e imágenes espectroscópicas del explorador MUSE del Very Large Telescope de la ESO, permite obtener un panorama completo de las propiedades físicas de las galaxias del ASPECS. El Prof. Manuel Aravena concluye:“Los datos del ASPECS constituyen nuestra mirada más profunda al Universo lejano y polvoriento hasta la fecha, y podrían abarcar la totalidad de las reservas masivas de polvo y gas en el H-UDF. Gracias a nuestra estrategia de observación, pudimos identificar reservas de gas masivas en galaxias donde no se esperaba detectarlas debido a la baja tasa de formación estelar y las bajas masas estelares”. En efecto, la profundidad sin precedentes alcanzada por el ASPECS permitió al equipo determinar que casi todas las reservas de polvo frío del H-UDF a una distancia que se remonta a los albores de los tiempos cósmicos corresponden a galaxias. Los resultados obtenidos por ALMA podrían explicarse en el contexto de mediciones realizadas anteriormente por el equipo del ASPECS mediante modelos paralelos. Estos resultados también confirman que, en general, hace cerca de 10.000 millones de años las galaxias estaban hechas principalmente de gas molecular, en vez de estrellas, al contrario de lo que se observa en las galaxias actuales.

El estudio ASPECS también permitió determinar la evolución de la densidad del gas molecular cósmico desde unos 2 millones de años después del Big Bang hasta hoy. El Dr. Roberto Decarli, del Instituto Nacional de Astrofísica de Bolonia (Italia), explica: “Nuestro análisis demostró sin ambigüedades que la densidad del gas molecular alcanzó su máximo cuando el Universo tenía unos 4 millones de años, y luego disminuyó casi en una orden de magnitud hasta el valor medido en el Universo local. Este resultado ya se había predicho en estudios de campo profundo molecular anteriores, entre ellos el programa piloto del ASPECS. Al recabar datos más fidedignos, el equipo del ASPECS pudo confirmar sin margen de error que se produjo un incremento y luego una disminución en la densidad del gas molecular en el transcurso del tiempo cósmico. Este nivel máximo en la densidad de gas molecular corresponde al que se registró en la época de la formación de galaxias”.

Este fenómeno se cotejó con otras mediciones clave de las propiedades de las galaxias, en particular la evolución de la densidad cósmica del gas atómico, la tasa de formación estelar y el aumento de las masas estelares. El Dr. Fabian Walter, del Instituto Max Planck de Astronomía de Heidelberg (Alemania), concluye: “Al reunir toda la información, pudimos determinar la cantidad de gas que se concentró en los centros de las galaxias mediante acreción a lo largo del tiempo cósmico y así explicar la existencia de las estrellas presentes en las galaxias”. Así, estas observaciones delimitan considerablemente los modelos y simulaciones de evolución galáctica.

El equipo del ASPECS espera continuar estudiando galaxias con alto contenido de gas a partir de datos de mayor resolución obtenidos por ALMA y de los nuevos datos que arrojarán las observaciones del telescopio espacial James Webb de la NASA (cuyo lanzamiento está programado para fines de 2021).

Este proyecto se basa en el gran proyecto ASPECS de ALMA, del que han emanado 20 artículos publicados en revistas internacionales consagradas (véase la página web del equipo enhttp://www.aspecs.info). Los artículos más recientes estarán disponibles en arXiv el 24 de septiembre de 2020.. All Simultáneamente, se pondrán a disposición de la comunidad astronómica todos los datos usados por el equipo en una página web ad hoc del Observatorio ALMA.

Esta investigación forma parte del proyecto Cosmic_Gas, financiado con fondos del Consejo Europeo de Investigación (CEI) en el marco del programa de investigación e innovación Horizon 2020 de la Unión Europea (fondo n.o 740246). Este trabajo contó asimismo con financiamiento del fondo CONICYT + PCI + INSTITUTO MAX PLANCK DE ASTRONOMIA MPG190030

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 National Science Council of Taiwan (NSC) 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.

Figure 1. The Hubble Ultra Deep Field (UDF): The left image shows the Hubble Space Telescope (HST) image, based on the deepest HST observations ever obtained, in optical and near-infrared wavelengths. It shows the presence of 100s of galaxies at different cosmic loopback times. The right image shows the same region on the sky, but obtained through the ASPECS ALMA Large Program, showing the dust emission of the UDF galaxies, as traced through millimetre wavelengths. This ALMA image provides the deepest view of the dusty universe in a cosmological deep field to date.

Figure 2. ALMA 3D gas tomography: The ASPECS ALMA Large Program imaged the UDF using ALMA frequency scans to search for molecular gas emission (as traced through carbon monoxide spectral lines). The net result are 3D data cubes, the three axes being right ascension, declination and frequency, where frequency equates to the line-of-sight distance via the redshift. This figure shows a rendering of the ALMA data, in which the ‘islands’ in the volume correspond to molecular gas emission lines of distant galaxies.

Comparación entre la imagen del Hubble (óptica e infrarrojo cercano) y la huella ASPECS del H-UDF, que se muestra a la derecha. Crédito: STScI, gonzalez-Lopez et al, ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

Render en 3D del cubo de datos de ASPECS en Banda 3 sobre fondo de Hubble UDF. Aparecen fuertes emisores de gas molecular frío como puntos brillantes en los cubos. Las características lineales corresponden a fuentes continuas de polvo brillante. Crédito: Decarli et al

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Render de la distribución 3D de las galaxias en el Hubble UDF, basada en la información espectroscópica y fotométrica de corrimiento al rojo disponible. Las galaxias polvorientas, detectadas con ALMA como parte de ASPECS, se destacan y se comparan con sus contrapartes ópticas/infrarrojas cercanas observadas con el Telescopio Espacial Hubble.
Créditos: STScI, Colaboración ASPECS, Thomas Müller (HdA); ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

La luz emitida por las galaxias más distantes viaja durante miles de millones de años antes de llegar a nosotros. Los astrónomos utilizan esto a su favor para tomar muestras de las propiedades de las galaxias en diferentes épocas cósmicas. Esta interpretación del Hubble UDF muestra cómo el equipo de ASPECS usó ALMA para rastrear la emisión de polvo y gas en galaxias a varias distancias para reconstruir la evolución del contenido de gas y polvo de las galaxias a través del tiempo cósmico.
Créditos: STScI, Colaboración ASPECS, Thomas Müller (HdA); ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)