Miles de millones de años luz de distancia gigantescas nubes de gas hidrógeno producen un tipo especial de radiación, un tipo de luz ultravioleta conocida como emisiones Lyman-alfa. Las enormes nubes que emiten la luz son manchas Lyman-alfa (LAB). Los LAB son varias veces más grandes que nuestra galaxia, la Vía Láctea, sin embargo, solo se descubrieron hace 20 años. Se necesita una fuente de energía extremadamente poderosa para producir esta radiación, piense en la producción de energía equivalente a miles de millones de nuestro sol, pero los científicos debaten cuál podría ser esa fuente de energía.

Un nuevo estudio que se publicó el 9 de marzo en Astronomía de la naturaleza proporciona evidencia de que la fuente de energía está en el centro de las galaxias formadoras de estrellas, alrededor del cual existen los LAB.

El estudio se centra en Lyman-alpha blob 6 (LAB-6) cuya luz se emitió hace 10.700 millones de años. El equipo de colaboración descubrió una característica única de LAB-6:su gas hidrógeno parecía caer hacia adentro sobre sí mismo. LAB-6 es el primer LAB con evidencia sólida de esta denominada firma de gas que cae. El gas que caía era escaso en abundancia de elementos metálicos, sugiriendo que el gas hidrógeno que cae del LAB se originó en el medio intergaláctico, en lugar de la propia galaxia formadora de estrellas.

La cantidad de gas que cae es demasiado baja para impulsar la emisión Lyman-alfa observada. Los hallazgos proporcionan evidencia de que la galaxia central de formación de estrellas es la principal fuente de energía responsable de la emisión de Lyman-alfa. También plantean nuevas preguntas sobre la estructura de los LAB.

"Esto nos da un misterio. Esperamos que haya gas cayendo alrededor de las galaxias que forman estrellas; necesitan gas para los materiales, "dijo Zheng Zheng, profesor asociado de física y astronomía en la Universidad de Utah y coautor del estudio. Zheng se unió al esfuerzo de analizar los datos y dirigió la interpretación teórica con el estudiante graduado de U, Shiyu Nie. "Pero esta parece ser la única mancha Lyman-alfa con caída de gas. ¿Por qué es tan raro?"

Los autores utilizaron el Very Large Telescope (VLT) del European Southern Observatory (ESO) y el Atacama Large Millimeter / Submillimeter Array (ALMA) para obtener los datos. El autor principal Yiping Ao del Observatorio de la Montaña Púrpura, La Academia de Ciencias de China observó por primera vez el sistema LAB-6 hace más de una década. Sabía que había algo especial en el sistema incluso entonces, basado en el tamaño extremo de su burbuja de gas hidrógeno. Aprovechó la oportunidad de mirar más de cerca.

"Afortunadamente, pudimos obtener los datos necesarios para capturar la composición molecular de ALMA, precisando la velocidad de la galaxia, ", dijo." El telescopio óptico VLT de ESO nos dio el importante perfil de luz espectral de la emisión Lyman-alfa ".

La luz del hidrógeno revela su secreto

El universo está lleno de hidrógeno. El electrón de hidrógeno orbita el núcleo del átomo en diferentes niveles de energía. Cuando un átomo de hidrógeno neutro recibe una explosión de energía, el electrón se puede impulsar a una órbita más grande con un nivel de energía más alto. Entonces el electrón puede saltar de un nivel de órbita a otro, que produce un fotón. Cuando el electrón se mueve a la órbita más interna desde la órbita directamente adyacente, emite un fotón con una longitud de onda particular en el espectro ultravioleta, llamada emisión Lyman-alfa. Se requiere una poderosa fuente de energía para energizar el hidrógeno lo suficiente como para producir la emisión Lyman-alfa.

Los autores descubrieron la característica del gas que cae al analizar la cinemática de las emisiones de Lyman-alfa. Después de que se emite el fotón Lyman-alfa, encuentra un entorno lleno de átomos de hidrógeno. Choca contra estos átomos muchas veces, como una pelota moviéndose en una máquina de pinball, antes de escapar del medio ambiente. Esta salida hace que la emisión se extienda hacia el exterior a grandes distancias.

Todo este rebote no solo cambia la dirección de la onda de luz, sino también su frecuencia, ya que el movimiento del gas causa un efecto Doppler. Cuando sale gas, la emisión de Lyman-alfa cambia a la más larga, longitud de onda más roja. Lo contrario ocurre cuando el gas está entrando:la longitud de onda de la emisión Lyman-alfa parece acortarse, cambiándolo a un espectro más azul.

Los autores de este artículo utilizaron la observación de ALMA para localizar la longitud de onda esperada de la emisión Lyman-alfa de la Tierra prospectiva, si no hubiera efecto de rebote para los fotones Lyman-alfa. Con la observación VLT, encontraron que la emisión de Lyman-alfa de esta mancha cambia a una longitud de onda más larga, lo que implica la entrada de gas. Utilizaron modelos para analizar los datos del espectro y estudiar la cinemática del gas hidrógeno.

El gas que cae reduce el origen de la radiación Lyman-alfa

Los LAB están asociados con galaxias gigantes que están formando estrellas a un ritmo de cientos a miles de masa solar por año. Halos gigantes de emisiones Lyman-alfa rodean estas galaxias, formando las burbujas de gas Lyman-alfa de cientos de miles de años luz de diámetro con una potencia equivalente a unos 10 mil millones de soles. El movimiento dentro de las gotas de gas puede decirte algo sobre el estado de la galaxia.

El gas que cae puede originarse de varias formas diferentes. Podría ser la segunda etapa de una fuente galáctica:si mueren estrellas masivas, explotan y empujan el gas hacia afuera, que luego cae hacia adentro. Otra opción es una corriente fría:hay filamentos de hidrógeno flotando entre los objetos celestes que se pueden arrastrar hacia el centro del pozo potencial. creando la característica de gas que cae.

El modelo de los autores sugiere que el gas que cae en este LAB proviene del último escenario. Analizaron la forma del perfil de luz Lyman-alpha, lo que indica muy poco polvo metálico. En astronomía, los metales son algo más pesado que el helio. Las estrellas producen todos los elementos pesados ​​del universo:cuando explotan, producen elementos metálicos y los esparcen por el espacio intergaláctico.

"Si el gas hubiera venido de esta galaxia, debería ver más metales. Pero este no habia muchos metales, ", dijo Zheng." La indicación es que el gas no está contaminado con elementos de esta formación estelar ".

Adicionalmente, su modelo indica que el gas circundante solo produce la energía equivalente a dos masas solares por año, demasiado bajo para la cantidad de emisión de Lyman-alfa observada.

Los hallazgos proporcionan una fuerte evidencia de que la galaxia en formación de estrellas es el principal contribuyente de la emisión Lyman-alfa, mientras que el gas que cae actúa para dar forma a su perfil espectral. Sin embargo, no responde completamente a la pregunta.

"Todavía puede haber otras posibilidades, "dijo Ao." Si la galaxia tiene un agujero negro supermasivo en el centro, puede emitir fotones energéticos que podrían viajar lo suficientemente lejos para producir la emisión ".

En estudios futuros, los autores quieren analizar la complicada dinámica del gas para descubrir por qué la caída de gas es poco común para los LAB. El gas entrante podría depender de la orientación del sistema, por ejemplo. También quieren construir modelos más realistas para comprender los movimientos de los fotones de emisión Lyman-alfa cuando chocan contra los átomos.