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Sociedad

Tercer Milenio

Astrofísica de frontera

El cielo de Javalambre en doce colores

Javalambre se ha convertido en el primer observatorio multifiltro del mundo. Los doce filtros instalados en uno de sus telescopios permiten cartografiar el cielo en doce colores. Se abre así la ventana a avanzar en un conocimiento astrofísico de frontera; objetos hasta ahora excepcionales se ponen al alcance de los investigadores. Desde el Centro de Estudios de Física del Cosmos de Aragón se ha diseñado y construido la instrumentación científica que ya utiliza desde 2015 el cartografiado J-Plus. También en Teruel se almacenan y procesan los datos, puestos a disposición de la comunidad científica internacional.

La galaxia M33 en color y, alrededor, en los doce filtros del cartografiado J-Plus, que revelan diversas características
La galaxia M33 en color y, alrededor, en los doce filtros del cartografiado J-Plus, que revelan diversas características
Cefca

La humanidad ha cartografiado el cielo desde sus comienzos. A la necesidad de datar las estaciones o de localizar las embarcaciones a lo largo del globo, se unió la curiosidad y el ansia de conocer el Cosmos, las leyes que lo rigen y nuestro lugar en él.

Un cartografiado astronómico consiste en el estudio sistemático de un área del cielo con el objetivo de catalogar, describir y analizar los objetos celestes allí presentes. El primer cartografiado documentado es el ‘Hè megalè syntaxis’, de Ptolomeo, conocido como ‘El Almagesto’ por su traducción al árabe durante la Edad Media. En él se catalogan las posiciones y el brillo de las 1.022 estrellas que podemos reconocer a simple vista en el cielo europeo. La utilización del telescopio por Galileo en 1609 supuso una primera revolución, seguida por el uso de placas fotográficas en el siglo XX, que permitían almacenar la información, y culminada en la revolución digital del siglo XXI: las cámaras digitales, el uso masivo de ordenadores, el acceso web a los datos y el establecimiento de observatorios espaciales han dado lugar a decenas de cartografiados del cielo y han permitido un gran avance en el conocimiento astrofísico de nuestra galaxia y el Universo.

La cámara T80, montada en el telescopio Jast, de 80 cm de diámetro, tiene un campo de visión equivalente a ocho lunas llenas.
La cámara T80, montada en el telescopio Jast, de 80 cm de diámetro, tiene un campo de visión equivalente a ocho lunas llenas.
Cefca

Mucho cielo a la vista 

En esta era de los grandes cartografiados, el Observatorio Astrofísico de Javalambre (OAJ, Teruel) ocupa un nicho único. Definido y gestionado por el Centro de Estudios de Física del Cosmos de Aragón (CEFCA), el OAJ cuenta con dos telescopios panorámicos capaces de observar una gran área de cielo en cada apuntado. Son máquinas optimizadas para realizar cartografiados. Las cámaras desarrolladas para almacenar los fotones recogidos por los telescopios también son únicas: T80Cam, montada en el telescopio JAST (Javalambre Auxiliary Survey Telescope), de 80 cm de diámetro, tiene un campo de visión de 2 grados cuadrados (equivalente a 8 lunas llenas), mientras que JPCam, montada en el telescopio JST (Javalambre Survey Telescope), de 2,5 metros, observa 4,7 grados cuadrados por apuntado (equivalente a unas 20 lunas llenas). 

El Observatorio Astrofísico de Javalambre es el primer observatorio multifiltro del mundo. Así se obtiene más información de cada objeto observado

El OAJ también destaca por su método de observación para describir las estrellas y las galaxias. Es el primer observatorio multifiltro del mundo. Un filtro se utiliza para aislar la luz de un cierto color, obteniéndose imágenes del Cosmos en el azul, el verde o el rojo. Al combinar imágenes de varios colores, obtenemos información del espectro de los objetos astronómicos y, a partir de ese espectro, podemos derivar propiedades físicas. Los observatorios profesionales observan habitualmente con conjuntos de cinco filtros, mientras que el OAJ utiliza decenas de filtros. Así se obtiene más información por objeto.

Limpieza de uno de los filtros diseñados específicamente para J-Plus.
Limpieza de uno de los filtros diseñados específicamente para J-Plus.
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Los dos primeros cartografiados del OAJ son J-PAS (Javalambre Physics of the accelerating universe Astrophysical Survey), que observará con el telescopio JST y 56 filtros; y J-PLUS (Javalambre Photometric Local Universe Survey), desde el telescopio Jast y con 12 filtros. Mientras que el comienzo de J-Pas se espera durante 2020, el cartografiado J-Plus ya ha publicado su primera remesa de datos (1.022 grados cuadrados, 1/30 del área total del cielo observable desde el OAJ y la octava parte del área estimada al final del proyecto) y un total de 11 artículos científicos en la revista internacional de impacto ‘Astronomy & Astrophysics’.

La galaxia NGC4470, vista con los doce filtros de J-Plus
La galaxia NGC4470, vista con los doce filtros de J-Plus
Cefca

Los doce filtros de J-Plus

Aunque J-Plus es un cartografiado más modesto que J-Pas, su carácter único permite realizar estudios que hasta ahora no habían sido posibles o mejorar algunos ya existentes. Los trabajos científicos de primer nivel que se están llevando a cabo con J-Plus buscan aprovechar la gran área observada y la información de los filtros que han sido diseñados específicamente para este proyecto. Ambas cualidades combinadas dejan a nuestro alcance la búsqueda de estrellas excepcionales en la Vía Láctea, el análisis de la formación estelar en el Universo cercano y la detección de agujeros negros supermasivos en el Universo lejano.

Filtros del cartografiado J-Plus
Filtros del cartografiado J-Plus
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En busca de las primeras estrellas

Todas las estrellas que vemos en el cielo nocturno pertenecen a nuestra galaxia, la Vía Láctea. Como otras galaxias, la Vía Láctea ha pasado por diversos procesos de formación estelar en los cuales nubes de gas, principalmente hidrógeno, han logrado condensarse para formar nuevas estrellas de diversas masas. Tras una vida transformando hidrógeno en helio para contrarrestar la compresión de la gravedad, las estrellas mueren en forma de supernova o nebulosa planetaria, contaminando el gas de la galaxia con nuevos metales, que a su vez formarán nuevas estrellas, que producirán nuevos metales, y así sucesivamente (tengamos en cuenta que en astrofísica denominamos metales a todos los elementos más pesados que el helio).

Mirando hacia atrás en este ciclo de enriquecimiento químico, llegamos a la conclusión de que las primeras estrellas no deberían tener ningún metal en su composición, ya que el Universo primigenio solo contenía un 90% de hidrógeno, un 10% de helio y trazas de litio. Por tanto, el estudio de las estrellas de baja metalicidad nos proporciona claves sobre el origen de nuestra galaxia y del Universo. Sin embargo, son muy escasas. Solo se conocen unas treinta estrellas con un contenido en metales 10.000 veces inferior al del Sol. Con el cartografiado J-Plus se abre una nueva ventana para su descubrimiento y estudio.

El cartografiado J-Plus acelera la búsqueda de las primeras estrellas de la Vía Láctea, objetos raros hasta ahora porque eran difíciles de encontrar

Afinar la puntería

Los filtros azules de J-Plus son sensibles a la metalicidad de las estrellas y la gran área cubierta es excepcional para buscar estos objetos raros. Las estrellas candidatas a tener un menor contenido en metales según el cartografiado J-Plus se observarán después con espectroscopía de alta resolución para confirmar su naturaleza y estimar su metalicidad con gran precisión. Si bien estas búsquedas ya se han realizado con otros cartografiados fotométricos, J-Plus da un paso más y permite afinar la puntería y aumentar la tasa de éxito, ahorrando tiempo de telescopio y acelerando la búsqueda de las primeras estrellas de la Vía Láctea.

¿Cuántas estrellas nuevas hay en el horno?

Al igual que la nuestra, el resto de galaxias del Universo han pasado por episodios de formación estelar, donde el gas se condensa y forma nuevas generaciones de estrellas. Durante estos episodios nacen estrellas de diversas masas, desde masivas con decenas de veces la masa del Sol hasta estrellas de baja masa. Cuanto más masiva es una estrella, mayor es su temperatura y menor su tiempo de vida. Son breves pero intensas. Por eso, las estrellas masivas azules, capaces de emitir grandes cantidades de energía en el ultravioleta e ionizar el hidrógeno que las rodea, viven tan solo unas decenas de millones de años antes de explotar en forma de supernova. Ese hidrógeno ionizado, al regresar a su estado fundamental de mínima energía, lanza una señal: emite luz en unos colores predeterminados por la física atómica. Son las llamadas líneas de emisión. Estudiándolas, somos capaces de inferir cuántas estrellas nuevas se están formando en una galaxia, es decir, de estimar la tasa de formación estelar.

Dos galaxias muy diferentes en nuestro vecindario cósmico. Estas dos imágenes retratan el mismo par de galaxias desde el telescopio Jast de Javalambre. En la primera vemos las dos en el espectro visible. La segunda ha sido obtenida a partir del filtro J0660, que solo permite ver las zonas de las galaxias que están formando estrellas. No es el caso de la de arriba, que ‘desaparece’.
Dos galaxias muy diferentes en nuestro vecindario cósmico. Estas dos imágenes retratan el mismo par de galaxias desde el telescopio Jast de Javalambre. En la primera vemos las dos en el espectro visible. La segunda ha sido obtenida a partir del filtro J0660, que solo permite ver las zonas de las galaxias que están formando estrellas. No es el caso de la de arriba, que ‘desaparece’.
Cefca

El filtro J0660 de J-Plus está centrado en la línea de emisión más intensa en el rango óptico, la de H-alfa (una de las líneas de emisión del hidrógeno), y nos permite estimar cuántas estrellas se están formando en nuestro vecindario cósmico. Debido a que estamos estudiando el Universo cercano, el volumen analizado depende enormemente del área cartografiada y, por tanto, la gran área cubierta por J-Plus es indispensable para obtener resultados fiables. Pero J-Plus presenta otra ventaja fundamental. Debido a que obtenemos imágenes, podemos no solo estudiar las galaxias como un todo, sino también cómo forman estrellas en sus diferentes regiones, tanto centrales como exteriores. Este estudio, el más preciso hasta la fecha y liderado por los estudiantes de doctorado del Cefca Gonzalo Vilella y Rafael Logroño, revela que una galaxia típica del Universo local transforma cada año dos masas solares de gas en estrellas.

Mapas tridimensionales

Los telescopios son máquinas del tiempo que nos permiten estudiar el pasado debido a la velocidad finita de la luz: cuanto más lejos miramos, más tiempo ha tardado la luz en llegar hasta nosotros y más cerca estamos del inicio del Universo. Pero ¿cómo podemos conocer la distancia a las galaxias? Debido a la expansión del Universo, cuanto mayor es la distancia que nos separa de una galaxia, más rápido se aleja de nosotros. Esto afecta a su luz, que se hace más roja, al igual que el sonido de una ambulancia que se aleja nos parece más grave. Comparando la luz observada con la esperada en reposo somos capaces de estimar la velocidad de las galaxias y, por tanto, su distancia, creando mapas tridimensionales del Universo. Este fenómeno también explica que con el cartografiado J-Plus solo podamos estudiar la tasa de formación estelar del Universo cercano: al desplazarse al rojo, la línea de emisión H-alfa abandona el filtro J0660 y no podemos medirla. Por este mismo principio, los filtros estrechos más azules de J-Plus (J0378, J0395, J0410, J0430) son sensibles a la emisión de la línea ultravioleta de hidrógeno Lyalpha de aquellos objetos que emitieron su luz hace 10.500 millones de años, cuando el Universo tenía un 20% de su edad actual. Mirar más lejos significa también observar objetos más débiles, por lo que detectar galaxias tan lejanas requiere imágenes muy profundas.

J-Plus no tiene capacidad para detectar los objetos más comunes a estas distancias cosmológicas, pero gracias a su gran área es capaz de detectar los más brillantes y raros, una población poco estudiada hasta la fecha. Estos objetos no son galaxias, sino cuásares: agujeros negros supermasivos situados en el centro de las galaxias que están acretando gas y emitiendo una cantidad ingente de energía, la suficiente como para ser detectados por J-Plus. El estudio de la abundancia y las propiedades de estos escasos cuásares ultraluminosos está liderado por el estudiante de doctorado del Cefca Daniele Spinoso y se publicará próximamente.

Carlos López San Juan Jefe del Departamento de formación y Evolución de Galaxias en el Centro de Estudios de Física del Cosmos de Aragón

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