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Proyectos de investigación astrofísica

El Universo Local

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Evolución de Galaxias (P/301113).

J CEPA

Á. Bongiovanni, M. Cerviño Saavedra, C. Pilar Padilla Torres, M. Ramón Pérez, J. Nadolny

E. Alfaro (IAA); B. Altieri, D. Coia, L Metcalfe, A.M. Pérez-García, R.M. Pérez-Martínez, I. Valtchanov (ESAC), M. Sánchez-Portal, B. Vila (ESO, Chile), I. Pintos Castro (U. Toronto); H. Castañeda (IPN, México); J. Gallego (UCM, Madrid); I. González-Serrano (IFCA-UNICAN, Santander); J.A. de Diego, J. González, A. Lara-López (IA-UNAM, México); I. Oteo (ESO, Alemania)

Introducción

El estudio de la evolución de las galaxias es un tema crucial de la Astronomía Extragaláctica moderna. Permite vincular las galaxias locales con las primeras que existieron en el universo. Pero para poder abordarlo es preciso obtener muestras estadísticamente significativas de galaxias de distintas luminosidades, a distintas distancias. Estos cartografiados cosmológicos, o bien cubren amplias zonas del firmamento observando objetos relativamente brillantes (p.ej. SDSS, 2dFGRS), o bien cubren regiones más reducidas, pero muestreando entonces objetos mucho más débiles (p.ej. HUDF, GOODS). El estudio de la evolución de las galaxias es una disciplina difícil, tanto bajo el punto de vista de la física como de la tecnología. En efecto, implica conocer y verificar una amplia variedad de teorías y modelos astrofísicos, pero también ser capaz de observar objetos muy débiles (tanto intrínsecamente débiles, como brillantes pero muy lejanos), a fin de evitar sesgos en la muestra. Más aún, requiere utilizar distintas técnicas (imagen, espectroscopía, síntesis de apertura, entre otras), y observar a distintas longitudes de onda, literalmente desde el dominio centimétrico hasta los rayos-gamma, a fin de abordar de forma coherente distintos procesos físicos, y también para determinar la distribución espectral de energía de los objetos en estudio. Por añadidura, el desplazamiento al rojo de las galaxias implica que una misma característica espectral se observa a distintas longitudes de onda en función de la distancia. Este fenómeno refuerza la necesidad de utilizar distintas instalaciones, que observen a distintas longitudes de onda, a fin de poder llevar a cabo un estudio homogéneo de objetos situados a distintas distancias.

La imagen profunda en banda estrecha es una técnica relativamente reciente, que permite detectar de forma eficiente galaxias a alto desplazamiento al rojo, y estudiar así su evolución. De hecho, los filtros sintonizables del instrumento OSIRIS, su característica más distintiva, han sido diseñados con ese fin. Permiten, además, determinar campos de velocidades bidimensionales (con baja resolución) sin necesidad de tomar datos adicionales. A modo de comparación, el futuro cartografiado J-PAS, por el contrario, utilizará filtros de banda estrecha fijos pero cubriendo un área muy grande del cielo aunque a una profundidad mucho menor. El proyecto que aquí se presenta está encaminado a explotar un conjunto de cartografiados multi-rango espectral que, combinados, constituyen el cartografiado denominado "Evolución". Este cartografiado, que constituirá una base de datos única y de la mayor profundidad existente hasta la fecha será, durante los próximos años, una herramienta imbatible para el estudio de la formación y evolución de galaxias. Incluye, además, datos únicos del observatorio espacial Herschel en el infrarrojo lejano, y estará enriquecido con información espectroscópica en el dominio óptico. Proporcionará, para miles de galaxias a desplazamientos al rojo entre 0.4 y 7.0, su morfología y distancias, así como las luminosidades de sus líneas de emisión de distintos elementos, y del continuo óptico, infrarrojo lejano y cercano y rayos-X. Un cartografiado adicional paralelo de cúmulos de galaxias, utilizando las mismas técnicas y a las mismas longitudes de onda, permitirá comparar la evolución de las galaxias de campo con las de cúmulo, estudiando, así, la influencia del entorno. En suma, este conjunto de cartografiados permitirán abordar varios aspectos críticos de la evolución de las galaxias tales como la variación de la tasa de formación estelar, la metalicidad, la luminosidad bolométrica, la extinción y la potencia de acreción de núcleos galácticos activos, entre otros temas, en función del tiempo cósmico y de la densidad ambiental. Todo ello incluso para las galaxias más débiles o las más distantes, al límite de las posibilidades de la actual instrumentación astronómica. Finalmente, la combinación de observaciones profundas a distintas longitudes de onda permitirá arrojar luz sobre las relaciones entre la confusa fauna de objetos observada a altos desplazamientos al rojo, y que nuestro grado de desconocimiento solo permite clasificar, hasta ahora, por la manera cómo se han detectado.

Los datos necesarios se obtendrán mediante tres cartografiados propios obtenidos utilizando el instrumento OSIRIS en el GTC: OTELO, GLACE y Lockman SpReSO. OTELO y GLACE se desarrollarán utilizando los filtros sintonizables de OSIRIS, mientras que Lockman SpReSO explotará el modo de espectroscopía multiobjeto óptica e infrarroja. El primero y el último estudiarán galaxias de campo aprovechando el tiempo garantizado del instrumento OSIRIS, mientras que el proyecto GLACE estudiará cúmulos de galaxias a distintos desplazamientos al rojo, mediante tiempo abierto, garantizado y del proyecto ESO-GTC en el que participan miembros de este proyecto. La mayor parte de los investigadores que componen el equipo son también miembros de PEP, un cartografiado de tiempo garantizado del telescopio espacial Herschel en el infrarrojo lejano. Asimismo, también se incluirán datos públicos en otras longitudes de onda, así como datos de los cartografiados ALHAMBRA y J-PAS, a los que los miembros del equipo también tienen acceso, y del seguimiento de fuentes seleccionadas utilizando el interferómetro milimétrico ALMA. OSIRIS en el GTC, Herschel y ALMA son instalaciones únicas, de frontera, que ya están proporcionando, y ciertamente todavía seguirán proporcionando, una visión única de la evolución de galaxias.

Los filtros sintonizables de OSIRIS permiten obtener imágenes en banda estrecha en cualquier longitud de onda dentro del dominio óptico, desde 365 hasta 960nm. Estos filtros, en un instrumento altamente eficiente como OSIRIS, en un telescopio de 10m ubicado en un sitio excelente como el Observatorio del Roque de Los Muchachos, permitirán llevar al límite cartografiados tomográficos como OTELO y GLACE: la obtención de imágenes de la mayor profundidad, a longitudes de onda contiguas, proporcionando espectroscopía tridimensional de baja resolución de todos los objetos del campo. Una técnica que ha demostrado ser muy eficiente para detectar objetos en emisión muy débiles o de pequeñas anchuras equivalentes.

El cartografiado OTELO (OSIRIS Tunable Emission Line Object survey, P.I.: Jordi Cepa), es la espina dorsal del cartografiado Evolución. Detectará las principales líneas ópticas de emisión desde Lyman α hasta Balmer α a distintos desplazamientos al rojo, ubicadas en una ventana atmosférica relativamente libre de líneas del grupo hidroxilo y centrada a 925nm. Debido a las reducidas anchuras equivalentes que será capaz de detectar, OTELO permitirá, por primera vez en este tipo de cartografiados, observar la mayor parte de espirales y muchas elípticas y lenticulares en emisión (para las luminosidades típicas de elípticas, OTELO puede detectar anchuras equivalentes tan bajas como 0.2), así como determinar la función de luminosidad de emisores Lyman α débiles a alto desplazamiento al rojo.

GLACE es un innovador cartografiado de galaxias y núcleos galácticos activos en emisión, en una muestra bien caracterizada de cúmulos de galaxias en tres rangos de desplazamiento al rojo: z=0.40, ~0.63 y 0.89. Detectará las líneas Hα/[NII], Hβ, [OII], [OIII] mediante los filtros sintonizables de OSIRIS. Estos desplazamientos al rojo han sido seleccionados por caer en ventanas atmosféricas adecuadas y por muestrear el tiempo cósmico a 8.9, 7.6 y 6.0 Giga años. Este rango es especialmente interesante, puesto que muestra evidencia de una fuerte evolución de las galaxias de los cúmulos, en una transición desde galaxias azules con formación estelar, a galaxias de la secuencia roja. En efecto, a lo largo de este intervalo, la tasa cósmica de formación estelar declina por un factor 2.5. El proyecto GLACE ha sido respaldado como un proyecto de gran formato ESO-GTC (P.I.: Sánchez-Portal).

LOCKMAN SpReSO (P.I.: Jordi Cepa y Jesús González) dedicará más de 200 horas de tiempo garantizado de OSIRIS, para obtener espectroscopía MOS de resolución intermedia, de 365 a 1000nm, de un millar de fuentes Herschel de la parte central del campo Lockman hasta una magnitud 24.5 AB. Asimismo, obtendrá espectroscopía MOS NIR, utilizando EMIR en el GTC, para un subconjunto seleccionado de fuentes.

PEP (PACS Extragalactic Probe, P.I. D. Lutz, Co-I: Jordi Cepa). Los campos y cúmulos de los anteriores cartografiados coinciden en gran parte con los que se han observado desde 60 a 600 µm por los instrumentos PACS y SPIRE del observatorio espacial HERSCHEL. De esta manera será posible identificar las contrapartidas ópticas y estudiar sus propiedades en el infrarrojo lejano. Una fracción de los participantes del proyecto son miembros del equipo científico de PACS, y tienen acceso a los datos ya reducidos y calibrados obtenidos mediante el tiempo garantizado del instrumento en el marco de un Proyecto Clave.

Estos cartografiados formarán una base de datos única que permitirá abordar el estudio de las galaxias en emisión hasta un desplazamiento al rojo de 7.0. El proyecto que se propone está encaminado a completarla y a explotarla científicamente.

Hitos

La obtención del catálogo final del primer apuntado de OTELO, incluyendo fotometría y astrometría de todas las fuentes, y la correlación con los datos adicionales desde los rayos-X hasta radio (cm), es el principal hito del proyecto en 2016. La subsiguiente obtención de los desplazamientos al rojo fotométricos y la morfología preliminar de las fuentes, permitirán abordar la explotación científica del cartografiado extragaláctico de objetos en emisión más profundo efectuado hasta la fecha. En la imagen se muestra una fuente candidata a emisor Lyman- α a un desplazamiento al rojo mayor que 6.

Imagen OTELO

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