or Nicolás Tejos, investigador del MAS y de la Pontificia Universidad Católica de Valparaíso
Hay más en una galaxia de lo que se ve a simple vista. Detrás de las bellas imágenes de sus estrellas y nebulosas más brillantes, hay un vasto ecosistema oculto que regula la formación y evolución de las galaxias. En el inicio del Universo, las galaxias se formaron primero a partir de la acreción del material primordial del medio circundante el cual fue capaz de enfriarse y condensarse para formar las primeras estrellas. La gran fuerza de gravedad de estas galaxias, permitieron un reabastecimiento continuo de nuevo material gaseoso mezclándose con el gas previamente enriquecido ya procesado por las primeras estrellas. Si no fuera por los mecanismos que impiden un proceso eficiente de formación estelar, la mayoría del gas acumulado inicialmente habría formado estrellas, y las galaxias se verían muy distintas de lo vemos en realidad. De hecho, estas mismas estrellas son en parte las que pueden prevenir una tasa desproporcionada de formación estelar en las galaxias, particularmente por la inyección de energía al medio interestelar a través de vientos estelares, o incluso más dramáticamente, cuando terminan sus vidas con poderosas explosiones de supernovas. Estos vientos estelares y supernovas también enriquecen el medio circundante con elementos más pesados que el hidrógeno y el helio, y sus energías son tan vastas que algunos pueden escapar del potencial gravitacional de las galaxias para alcanzar al medio intergaláctico como vientos galácticos. A lo largo de la historia del Universo, el gas enriquecido se irá mezclando aún más con el material del medio intergaláctico y puede eventualmente enfriarse nuevamente para caer de vuelta en las galaxias, del cual una proporción formará estrellas aún más nuevas. Este proceso debería continuar mientras haya material disponible para ser acretado desde el medio intergaláctico hasta las galaxias, pero los detalles de las interacciones ocultas siguen siendo un misterio.
Gran parte de lo que sabemos sobre la formación y evolución de las galaxias se basa en gran medida en la teoría, gracias a simulaciones numéricas, así como a algunas relaciones físicas simples y argumentos de escala. Sin embargo, aún no contamos con una observación directa de la interacción entre las galaxias y el medio intergaláctico. Después de todo, cuando observamos galaxias en emisión, sólo vemos el producto final de todo este proceso en una foto a un tiempo dado. Entonces sería muy útil contar con observaciones del contenido gaseoso que rodea a las galaxias -el llamado medio circumgaláctico (CGM)- lugar donde esperamos que ocurra toda esta acción oculta. Desafortunadamente, el CGM es tan difuso que no emite suficiente luz para su detección en emisión con la tecnología actual.
¿Cómo podemos entonces observar el CGM? El enfoque tradicional ha sido utilizar cuásares como fuentes de fondo, y en su lugar observar este material interviniente en absorción. Básicamente, al descomponer la luz de un cuásar y al comparar la señal intrínseca esperada con la realmente observada, podemos inferir la presencia de material absorbente intermedio que debe provenir del CGM de una galaxia entrte el cuásar y el observador. Esta técnica es mucho más sensible que lo que podemos hacer en emisión, y ya nos ha entregado muchas pistas sobre la naturaleza del CGM. Sin embargo, la principal limitación de esta técnica es que es intrínsecamente unidimensional, ya que sólo el material gaseoso a lo largo de la línea de visión de un determinado cuásar de fondo puede ser estudiado. Por lo tanto, esta técnica sólo nos proporciona una idea estadística al promediar la señal de muchos pares cuásar-galaxias diferentes.
¿Existe alguna manera de superar esta limitación? Sí. En un trabajo colaborativo junto con Sebastián López (UChile), Felipe Barrientos (PUC), Cedric Ledoux (ESO), entre otros, hemos recientemente comenzado a desarrollar una nueva técnica para la observación del CGM en tres dimensiones. Hemos descubierto que al usar arcos gravitacionales brillantes como fuentes de fondo en lugar de cuásares, podemos obtener mapas coherentes del CGM alrededor de galaxias individuales. Los arcos gravitacionales son una versión amplificada de las galaxias debido al efecto del lente gravitacional inducido por concentraciones de masa que distorsionan el espacio-tiempo (véase la Fig. 1). Bautizamos esta nueva técnica “tomografía de arco gravitacional” y sus primeros resultados (publicados en la revista Nature [https://www.nature.com/articles/nature25436]) han revelado la presencia de un medio grumoso y anisotrópico de material enriquecido alrededor de una galaxia distante. Esto ha confirmado inferencias estadísticas anteriores, pero por primera vez a partir de la observación directa de un único sistema. Ahora estamos trabajando en la aplicación de esta técnica a nuevos sistemas, avanzando así hacia una comprensión más completa del material oculto que regula la evolución de las galaxias a través del tiempo cósmico.
Figura 1: Ilustración de la geometría del lente gravitacional que usamos para observar el CGM de un sistema de galaxias distantes que llamamos G1. Primero, la luz de una galaxia de fondo (en el plano de la fuente) es distorsionada por el efecto de lente gravitacional producido por un cúmulo de galaxias (en el plano del lente) antes de llegar a la Tierra. El efecto neto es producir un arco gravitacional gigante y brillante que pueda ser observado en el plano de la imagen. Al descomponer la luz de este arco gravitacional podemos estudiar la distribución tridimensional del CGM alrededor del sistema de galaxias G1 (en el plano del absorbente), que se encuentra entre el lente y la fuente. Imagen de López et al. 2018 Nature 554, 493-496.
