BROTE DE ESTRELLAS

ESPECIAL 1999

Curso: Formación estelar en galaxias: una visión desde el infrarrojo lejano y el rango submilimétrico

Prof. Alberto Franceschini
Universidad de Padua
ITALIA

Con misiones como HST, ISO, SIRFT o FIRST, la Astronomía espacial ha tratado o tratará de obtener una imagen del Universo temprano, de cómo se formaron las estrellas y las galaxias. Los astrónomos han recopilado información muy valiosa a distintas longitudes de onda, pero parece ser que los resultados no concuerdan a alto corrimiento al rojo. Alberto Franceschini, de la Universidad de Padua y participante en algunos de estos proyectos, comenta aquí el papel de misiones pasadas y futuras.

"No cabe duda de que los frutos de la excelente resolución espacial en el óptico del telescopio espacial ‘Hubble’ mediante integraciones muy profundas en dos áreas, las Hubble Deep Field (HDF) norte y sur, han dado como resultado una imagen del Universo lejano con una claridad y precisión sin precedentes, mostrándonos galaxias con morfologías variadas de una parte sustancial de la época de Hubble. Su espectacular capacidad de resolución angular es actualmente única y es poco probable que sea superada por otros instrumentos en los próximos años. Sin embargo, el telescopio espacial se basa en una tecnología relativamente antigua, limitada por la capacidad colectora de fotones, el tamaño del detector y la cobertura de longitud de onda. El tamaño limitado del colector primario y de los detectores implican que sólo se puedan cubrir áreas muy pequeñas de cielo en toda la vida útil del observatorio (cada uno de los dos HDF con un tamaño de sólo 4 minutos de arco cuadrados ha necesitado diez días de integración continua). La Misión de Mantenimiento del HST, programada para mediados del 2001, instalará en el plano focal una cámara mejorada para la obtención de imágenes (la Advanced Camera for Surveys) y restaurará la cámara para la obtención de imágenes en el infrarrojo cercano. Esto permitirá rastrear áreas más amplias a profundidad similar, con lo que se podrá verificar la importancia estadística de los resultados obtenidos en los Hubble Deep Fields.

No obstante, es probable que se produzcan nuevos progresos en el conocimiento del Universo lejano y muy lejano a partir del avance tecnológico en la Astronomía espacial que supone el NGST, un fantástico paso adelante con respecto al HST. La capacidad de este observatorio para operar a longitudes de onda más larga permitirá resolver el problema de que la emisión óptica de poblaciones estelares de galaxias a alto corrimiento al rojo se desvía al infrarrojo, lo que impide que el HST pueda estudiar adecuadamente las galaxias lejanas.

De alcanzarse los resultados previstos para el NGST muchos de los misterios acerca del origen del Universo, como la formación de estructura a muy alto corrimiento al rojo (como la trazada por la emisión estelar) y acerca de la formación de estrellas y planetas empezarán a desvelarse."

"Con la cámara para el infrarrojo medio ISOCAM se han realizado con gran éxito amplios cartografiados del cielo, explotando, entre otras cosas, una resolución espacial mejor que la instrumentación disponible a longitudes de onda más largas. El resultado más importante parece ser la necesidad de un ritmo extremadamente alto de resolución con el tiempo cósmico de la emisividad infrarroja de las galaxias, precisa para poder explicar los conteos observados. Las poblaciones responsables de estas cuentas altas resultan estar, según los estudios espectroscópicos, a corrimientos al rojo de entre 0,5 y 1,5. Es en este intervalo en el que se produjo la mayor parte de la energía electromagnética del Universo, probablemente en estrellas jóvenes de galaxias en formación. Varios de nosotros adelantamos una fuerte evolución cosmológica para las galaxias infrarrojas, pero no al nivel que se observó con ISO, lo que parece implicar que una parte importante (quizá un 50% o más) de la energía radiante de las galaxias jóvenes fue absorbida por polvo y reemitida a longitudes de onda largas. La misión COBE de la NASA halló también indicios de esto en forma de radiación difusa brillante de fondo en el infrarrojo lejano y en longitudes de onda submilimétricas, probablemente producida por las señales integradas de galaxias lejanas."

"Al contrario de lo que pudieran sugerir los acrónimos, se trata de dos misiones totalmente distintas. SIRFT es un sucesor de la NASA de la misión ISO con instrumentación infrarroja mejor y mucho más sofisticada. Dado el limitado tamaño del espejo primario (85 cm), es probable que los resultados más importantes de SIRFT estén relacionados con las características de la emisión de galaxias activas y normales de 5 a 50 micras, una región espectral muy rica en características espectrales debidas a polvo y en líneas espectrales debidas a la diversidad de especies atómicas de varios niveles de ionización. Esto permitirá llevar a cabo estudios detallados de los procesos físicos que originan la emisión infrarroja, en particular aquéllos relacionados con poblaciones estelares y actividad nuclear no térmica. Otra investigación interesante de SIRFT será utilizar la característica de emisión ancha en galaxias a 1,7 micras (debida a un mínimo en la opacidad atmosférica estelar) para medir corrimientos al rojo fotométricos precisos mediante observaciones multibanda en el infrarrojo medio de un gran número de galaxias. Esta técnica, complementaria a las que actualmente se adoptan en el óptico (por ejemplo, la de las no-detecciones a ciertas longitudes de onda y el ajuste óptico multibanda), tiene la ventaja evidente de ser mucho menos proclive a los efectos de extinción por polvo y del envejecimiento estelar.

FIRST, la misión clave de la ESA, cuenta, por el contrario, con un espejo primario mucho mayor, lo que permitirá realizar importantes estudios en la prácticamente desconocida región espectral de las 70 a las 700 micras. Esto engloba todo el gran pico de emisión debido a la emisión del polvo e incluye importantes líneas de emisión atómica y molecular, especialmente la línea de enfriamiento de CII a 158 micras, que podrá observarse a corrimientos al rojo muy altos. Sin embargo, la tarea más importante asignada a este observatorio espacial será la exploración del Universo lejano mediante cartografiados profundos de grandes áreas del cielo, que detectarán preferiblemente objetos a alto corrimiento al rojo por la fuerte corrección K al observar a longitudes de onda más largas que las del pico de emisión del polvo. FIRST tendrá detectores sensibles de gran formato capaces de cubrir simultáneamente áreas amplias en varias bandas anchas. Podrán medirse corrimientos al rojo fotométricos de decenas de miles de fuentes con alto corrimiento al rojo detectadas por FIRST en amplias regiones del cielo, lo que supone una forma de obtener imágenes del Universo lejano sin que influya el oscurecimiento por polvo.

Los amplios cartografiados de FIRST serán perfectamente sinérgicos con los proyectos previstos de interferómetros milimé-tricos (ALMA, MMA) que entrarán en operación hacia finales de la próxima década. Su altísima resolución espacial permitirá conocer las características físicas detalladas de las fuentes de FIRST"

"Esa falta de acuerdo se debe en la mayoría de los casos a la incertidumbre en las correcciones que se aplican a los flujos ópticos para contrarrestar el efecto de la extinción por polvo en galaxias lejanas. Los análisis realizados recientemente demuestran que con frecuencia esa corrección no sería siquiera posible si el análisis se limita al óptico o al infrarrojo cercano, donde domina la emisión estelar: en muchas galaxias cercanas con formación estelar explosiva hay pruebas de la existencia de cúmulos estelares jóvenes completamente inmersos en nubes que no emiten en el óptico. A menudo esta emisión opaca al óptico domina la luminosidad bolométrica en galaxias luminosas con formación estelar intensa. Es evidente que sólo se necesitan observaciones en el infrarrojo medio y lejano para identificar y medir esos componentes de la emisión.

Los procesos que desencadenan el colapso de una nube interestelar, su fragmentación y la formación de estrellas se encuentran entre los menos conocidos de la Astrofísica. No obstante, es evidente que la formación estelar se produce a partir de la compresión del gas interestelar, que puede tener distintos orígenes. Según la eficacia de esa compresión, la formación estelar puede darse de manera uniforme, como sucede en el disco gaseoso de las galaxias espirales siguiendo el aumento de la densidad en los brazos espirales, o puede producirse como un episodio mucho más violento cuando una buena parte del contenido gaseoso de la galaxia es inducida al colapso en el núcleo galáctico interno como consecuencia de una interacción fuerte o de una fusión con otro sistema masivo, perturbando los ordenados movimientos de rotación del gas. En el segundo caso (fusión) se produce un brote de formación estelar luminoso o ultraluminoso, lo que en el panorama cosmogónico actual se supone que da origen a los componentes esferoidales (como opuestos al disco) de las galaxias. Las observaciones de IRAS e ISO han demostrado que, a medida que aumentan la compresión del gas y la eficiencia en la formación estelar, aumenta la fracción de luz visible de las estrellas masivas jóvenes que es absorbida por el polvo y reemitida en el infrarrojo medio y lejano, pasando del bajo porcentaje típico de las espirales en reposo hasta el 99 por ciento de los brotes de formación estelar más luminosos (por ejemplo, Arp 220). El estudio de las fases más activas de formación estelar sólo es posible con observaciones a longitudes de onda largas."

PERFIL

ALBERTO FRANCESCHINI nació en Verona (Italia), en 1952. Estudió Física y Astrofísica en la Universidad de Padua y en la Escuela Internacional de Estudios Avanzados de Trieste y, desde 1983, está vinculado al Departamento de Astronomía de su universidad, donde hoy es Profesor Asociado y responsable del área de Astrofísica de Altas Energías.

A finales de los años 70 comenzó a trabajar sobre el problema del origen de la radiación de fondo de rayos X. Sus trabajos en este campo han servido de base para el desarrollo de misiones espaciales como

PLANCK y MAP.

Durante mucho tiempo estudió las potencialidades de la Astronomía milimétrica e infrarroja en el contexto cosmológico y predijo la existencia de una radiación cosmológica de fondo en el mismo nivel en el que, años más tarde, fue medida por el satélite COBE. Anticipó también la existencia de una población de brotes de formación estelar con emisión infrarroja a alto corrimiento al rojo como el origen de las actuales galaxias esferoidales, población que ha sido detectada recientemente por SCUBA y JCMT.

En 1996 fue designado por ESA como experto para su misión FIRST. Es también co-investigador del instrumento de baja frecuencia de PLANCK, dedicado al estudio de las anisotropías a pequeña escala del CMB.

Miembro de la IAU y de CISAS (Consorcio de Astrofísica y Ciencias Espaciales de Padua), desde 1998 es miembro del Grupo de Trabajo de Astronomía de la Agencia Europea del Espacio.