Los astrónomos del MIT y otros lugares han utilizado un cúmulo masivo de galaxias como una lupa de rayos X para mirar hacia atrás en el tiempo. hasta hace casi 9.400 millones de años. En el proceso, vieron una pequeña galaxia enana en su primera, etapas de alta energía de formación estelar.

Si bien los cúmulos de galaxias se han utilizado para ampliar objetos en longitudes de onda ópticas, esta es la primera vez que los científicos han aprovechado estos gigantes gravitacionales masivos para hacer zoom en extremos, distante, Fenómenos emisores de rayos X.

Lo que detectaron parece ser una mancha azul de una galaxia infantil, alrededor de 1/10, 000 del tamaño de nuestra Vía Láctea, en medio de la producción de sus primeras estrellas:supermasivas, objetos cósmicamente de corta duración 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 una gran cantidad de supercalientes, estrellas jóvenes muy masivas que se formaron recientemente, "dice 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 que nadie ha visto antes en rayos X en el universo distante".

Bayliss dice que la detección de este sencillo, galaxia distante es una prueba de que los científicos pueden usar cúmulos de galaxias como lupas de rayos X naturales, para elegir el extremo, fenómenos altamente energéticos en la historia temprana del universo.

"Con esta técnica, Pudimos, en el futuro, hacer zoom en una galaxia distante y fechar diferentes partes de ella, para decir, esta parte tiene estrellas que se formaron hace 200 millones de años, versus otra parte que se formó hace 50 millones de años, y sepárelos de una manera que no podría hacer de otra manera, "dice Bayliss, quien se trasladará a la Universidad de Cincinnati como profesor asistente de física.

Él y sus coautores, incluido Michael McDonald, profesor asistente de física en el MIT, han publicado sus resultados en la revista Astronomía de la naturaleza .

Una vela a la luz

Los cúmulos de galaxias son los objetos más masivos del universo, compuesto por miles de galaxias, todos unidos por la gravedad como uno enorme, fuerza poderosa. Los cúmulos de galaxias son tan masivos, y su atracción gravitacional es tan fuerte, que pueden distorsionar el tejido del espacio-tiempo, doblando el universo y cualquier luz circundante, al igual que 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 lente gravitacional. 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 grupo puede desviar esa luz.

Por ejemplo, imagina si un observador, frente a un cúmulo de galaxias, estaban tratando de detectar un objeto, como una sola galaxia, detrás de ese grupo. La luz emitida por ese objeto viajaría directamente hacia el cúmulo, luego dobla alrededor del racimo. Continuaría viajando hacia el observador, aunque en ángulos ligeramente diferentes, apareciendo al observador como imágenes reflejadas del mismo objeto, que al final se puede combinar como un solo, imagen "ampliada".

Los científicos han utilizado cúmulos de galaxias para ampliar objetos en longitudes de onda ópticas, pero nunca en la banda de rayos X del espectro electromagnético, principalmente porque los propios cúmulos de galaxias emiten una enorme cantidad de rayos X. Los científicos han pensado que cualquier rayo X procedente de una fuente de fondo sería imposible de distinguir del propio resplandor del cúmulo.

"Si intentas ver una fuente de rayos X detrás de un cúmulo, es como intentar ver una vela junto a una luz muy brillante, "Dice Bayliss." Así que sabíamos que era una medida difícil de realizar ".

Sustracción de rayos X

Los investigadores se preguntaron:¿Podrían restar esa luz brillante y ver la vela detrás de ella? En otras palabras, ¿Podrían eliminar las emisiones de rayos X procedentes del cúmulo de galaxias? para ver los rayos X mucho más débiles provenientes de un objeto, detrás y magnificada por el racimo?

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. Miraron en particular las medidas de Chandra del cúmulo de Fénix, un cúmulo de galaxias distante ubicado a 5.700 millones de años luz de la Tierra, que se ha estimado que es aproximadamente un billón de veces más masivo que el sol, con efectos gravitacionales que deberían convertirlo en un poderoso, Lente de aumento natural.

"La idea es tomar lo que sea su mejor telescopio de rayos X, en este caso, Chandra, y use una lente natural para magnificar y hacer que Chandra sea más grande de manera efectiva, para que puedas ver cosas más lejanas, "Dice Bayliss.

Él y sus colegas analizaron las observaciones del cúmulo de Phoenix, tomado 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 todas estas diversas opiniones, el equipo desarrolló un modelo para caracterizar los efectos ópticos del clúster, lo que permitió a los investigadores medir con precisión las emisiones de rayos X del propio cúmulo, y restarlo de los datos.

Se quedaron con dos patrones similares de emisiones de rayos X alrededor del cúmulo, que determinaron que estaban "con lentes, "o doblado gravitacionalmente, por el clúster. Cuando rastrearon las emisiones hacia atrás en el tiempo, descubrieron que todos se originaron a partir de un solo, 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 edad actual.

"Previamente, Chandra había visto solo un puñado de cosas a esta distancia, ", Dice Bayliss." En menos del 10 por ciento del tiempo, descubrimos este objeto, igualmente lejos. Y la lente gravitacional es lo que nos permite hacerlo ".

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

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

"Estamos capturando esta galaxia en una etapa muy útil, donde tiene estas estrellas realmente jóvenes, "Dice Bayliss." Todas las galaxias tenían que empezar en esta fase, pero no vemos muchas de estas clases de galaxias en nuestro propio vecindario. Ahora podemos retroceder en el tiempo mira en el universo distante, encontrar galaxias en esta fase temprana de su vida, y empezar a estudiar cómo la formación estelar es diferente allí ".