Los astrónomos rastrean la chispa del nacimiento de una estrella a lo largo de miles de millones de años

Los astrónomos que utilizan el Observatorio Lunar de rayos X de la NASA y otros telescopios han completado un estudio más amplio y detallado de lo que desencadena la formación de estrellas en las galaxias más grandes del universo. Se sorprendieron al descubrir que las condiciones de concepción estelar en estas galaxias extraordinariamente masivas no habían cambiado en los últimos diez mil millones de años.

«Lo sorprendente aquí es que hay muchas cosas que afectan la formación de estrellas en los últimos diez mil millones de años», dijo Michael Calzadilla del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), quien dirigió el estudio. «Al final, sin embargo, el principal impulsor de la formación de estrellas en estas galaxias masivas realmente se reduce a una cosa: si el gas caliente que las rodea puede enfriarse lo suficientemente rápido o no».

Los cúmulos de galaxias son los objetos más grandes del universo que se mantienen unidos por la gravedad y contienen cantidades masivas de gas caliente que se pueden ver en rayos X. La masa de este gas caliente es varias veces la masa total de todas las estrellas de los cientos de galaxias que se encuentran comúnmente en los cúmulos de galaxias.

Calzadilla y sus colegas estudiaron una clase de galaxias más brillantes y masivas en los centros de 95 galaxias, conocidas como galaxias en cúmulos brillantes. Los cúmulos de galaxias seleccionados son en sí mismos una muestra extrema (los cúmulos más masivos en un gran estudio realizado con el Telescopio del Polo Sur (SPT)) y se encuentran entre 3,4 y 9,9 mil millones de años luz de la Tierra.

El equipo descubrió que la formación de estrellas se desencadena en las galaxias que estudiaron cuando el concepto físico de «entropía», la cantidad de movimiento caótico en el gas caliente, cae por debajo de un umbral crítico. Por debajo de este límite, el gas caliente inevitablemente se enfría para formar nuevas estrellas.

«Es impresionante pensar que un solo número puede decirnos si miles de millones de estrellas y planetas se formaron en estas galaxias masivas hace diez mil millones de años», dijo el coautor Michael McDonald del MIT.

Aunque se han realizado otros intentos para identificar los factores impulsores de la formación estelar en galaxias tan masivas a lo largo del tiempo cósmico, este estudio es el primero en combinar observaciones ópticas y de rayos X de los centros de los cúmulos en un rango de distancias tan amplio. Esto permite a los investigadores conectar el combustible necesario para la formación de estrellas (el gas caliente detectado en la Luna) con la formación real de estrellas después de que el gas se haya enfriado, como se ha visto con telescopios ópticos a lo largo de gran parte de la historia del universo.

El equipo utilizó radiotelescopios para estudiar los chorros de material que se alejan de los agujeros negros supermasivos en estos cúmulos. En un proceso llamado «retroalimentación», el gas caliente que se enfría para formar estrellas eventualmente alimenta los agujeros negros, lo que genera chorros y otras actividades que imparten calor y energía a sus alrededores, evitando temporalmente un mayor enfriamiento. Cuando el agujero negro se queda sin combustible, los chorros se apagan y el proceso comienza de nuevo.

«Es como si hubiéramos recopilado diferentes capítulos para el libro sobre la formación de estrellas a lo largo de la vida del Universo», dijo el coautor Brad Benson de la Universidad de Chicago y Fermilab en Illinois. «En lugar de escribirse con palabras, esta historia se cuenta con rayos X, luz óptica y radioeléctrica».

Un aspecto inesperado de este estudio es que trabajos anteriores han sugerido que otros factores además del enfriamiento del gas caliente desempeñan un papel importante en la formación de estrellas en el pasado distante. Hace diez mil millones de años, durante lo que los astrónomos llaman el «mediodía cósmico», las colisiones y fusiones de galaxias en cúmulos eran más comunes, las tasas de formación de estrellas eran generalmente mucho más altas y los agujeros negros supermasivos galácticos extraían material mucho más rápido.

«El tipo de formación estelar que estamos viendo es notablemente estable, acercándose al mediodía cósmico cuando está siendo superado por otros procesos», dijo la coautora Lindsay Bleim del Laboratorio Nacional Argonne en Illinois. «Incluso si el universo pareciera muy diferente entonces, estas galaxias no serían el desencadenante de la formación de estrellas».

Al estudiar cúmulos relativamente cercanos, investigadores anteriores han encontrado un nivel umbral de desorden en el gas caliente necesario para la retroalimentación de los agujeros negros supermasivos en forma de chorros.

Este nuevo estudio realizado por el equipo de Calzadilla encontró que el límite de entropía para la retroalimentación no se aplica a galaxias en cúmulos más distantes, lo que significa que los cúmulos de más de diez mil millones de años no se rigen por la retroalimentación de los agujeros negros. Se necesita tiempo para que el gas caliente comience a enfriarse sobre la galaxia central, y luego ese gas más frío tarda más en llegar al agujero negro supermasivo de la galaxia central y, finalmente, se justifica que los chorros se formen y se detengan. Mayor enfriamiento del gas.

Sin embargo, las señales de radio no dan una indicación clara de la actividad del jet en este momento temprano.

Este resultado se basa en datos de rayos X del Observatorio Lunar de rayos X de la NASA; SPT, datos de radio del Australia Telescope Compact Array y el telescopio australiano SKA Pathfinder; datos infrarrojos del satélite WISE de la NASA; y varios telescopios ópticos. Los telescopios ópticos utilizados aquí son el Telescopio Magallanes de 6,5 m, el Telescopio Gemini Sur, el Telescopio Blanco de 4 m (DECam, MOSAIC-II) y el Telescopio Swope de 1 m. Para este resultado se utilizaron un total de unos 50 días de observación lunar.

Caldazilla presentó estos resultados en la 243ª reunión de la Sociedad Astronómica Estadounidense en Nueva Orleans. Además, es el primer autor del artículo presentado. Diario astrofísico Además de este trabajo, está disponible en el servidor de preimpresión. arXiv.