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ASTROFÍSICA | La Ciencia se prepara para el radiotelescopio más grande del mundo

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Un equipo internacional de investigadores ha demostrado la capacidad de la Red de un Kilómetro Cuadrado (SKA, por sus siglas en inglés) para detectar la emisión en ondas radio de las galaxias espirales en el universo temprano. Pronto, SKA, cuya construcción ha empezado este año, será el radiotelescopio más grande del mundo. Los astrónomos y astrónomas que pertenecen al grupo de trabajo científico de SKA “Continuo Extragaláctico” buscan la manera de probar una época cósmica en la que la actividad de formación estelar cayó de forma abrupta, después de la época conocida como el “Mediodía Cósmica”. Para hacerlo, simularon las propiedades físicas del medio interestelar de las galaxias similares a la Galaxia del Triángulo (M33) y la Galaxia del Torbellino (M51) en edades tempranas. Los resultados muestran que los potenciales “cartografiados de legado” deberían de tener una sensibilidad suficiente para encontrarlas, incluso en la fase inicial del desarrollo de SKA.

Durante la evolución cósmica, las galaxias experimentaron un declive abrupto en su actividad de formación de estrellas después de un periodo mucho más activo, hace unos 10 mil millones de años, llamado el “Mediodía Cósmico”. La transición de una época dorada de formación estelar a un ritmo reducido de nacimiento de estrellas todavía no se entiende bien. Una reducción en la cantidad de gas frío dentro de las galaxias, que se usa como combustible de la formación estelar, se considera, a menudo, la razón principal de este descenso en la formación de estrellas. Sin embargo, las observaciones muestran que muchas galaxias todavía poseían reservas de gas suficientemente grandes para permitir la formación de estrellas. “Otra posibilidad es que la presión del campo magnético, las partículas de altas energías y la turbulencia estabilizaron cada vez más el gas frío en las galaxias”, explica Fatemeh Tabatabaei, anteriormente investigadora en el Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) y, ahora, miembro del Instituto de Investigación en Ciencias Fundamentales (IPM) en Teherán, Irán. “Entender la importancia de estos factores requiere estudios del equilibrio energético como función de redshift”, añade.

El redshift (desplazamiento al rojo, en inglés) es el fenómeno por el cual los espectros que emiten, por ejemplo, por las galaxias, se desplazan hacia longitudes de onda más largas cuando llegan a los detectores de los telescopios, debido a la expansión del universo. El redshift puede interpretarse directamente como distancia o como edad de los objetos desde el Big Bang.

Para evaluar las posibilidades que ofrece el futuro Observatorio de la Red de un Kilómetro Cuadrado (SKAO) para ayudarnos a resolver este puzle, los astrónomos han simulado los procesos físicos en el medio interestelar (ISM) de las galaxias a diferentes redshifts. El ISM no es otra cosa que gas y partículas sólidas microscópicas que los astrónomos denominan polvo, a temperaturas variadas, que llenan el espacio entre las estrellas. La primera fase de esta investigación se publica hoy en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Las observaciones de la emisión continua en radio son un potente método para trazar los procesos energéticos en las galaxias. Esta emisión surge, principalmente, de la interacción de las partículas de altas energías con los campos magnéticos, un componente energético del ISM. Las observaciones profundas y con alta resolución espacial, en diferentes frecuencias de radio, con el SKAO permitirán a los astrónomos mapear estos procesos en las galaxias, tanto cercanas como lejanas. Tales observaciones supondrán un paso fundamental para el entendimiento del equilibrio energético y la formación de estructuras en las galaxias durante el tiempo cósmico, y arrojarán luz sobre los procesos que gobiernan la evolución de las galaxias y la reducción repentina en la actividad de formación estelar. “Seleccionar los tipos de galaxias y las distancias cósmicas necesarias para estudiar estos procesos es una parte esencial de la preparación de los datos reales del SKAO”, señala Mark Sargent, del Instituto Internacional de Estudios Espaciales, en Berna, Suiza, y coautor del estudio.

“Como primer paso, nos interesaba estudiar la emisión del continuo en ondas radio del ISM de galaxias típicas con alto redshift, usando galaxias espirales normales actuales como M51, NGC 6946 y M33 como plantillas. Nuestra simulación tiene en cuenta dos mecanismos diferentes de radiación, la libre-libre térmica, y la no térmica tipo sincrotrón”, dice Masoumeh Ghasemi-Nodeh, postdoc en el IPM y colaboradora en este proyecto. “Hemos mostrado que los cartografiados de radiofrecuencia SKA fase 1 MID (SKA1-MID) pueden mapear la radiación sincrotrón en galaxias similares a M51 hasta un redshift de 3, cuando el Universo tenía solamente la séptima parte de su edad actual”, añade.

“Esperamos que tanto las partículas relativistas como los campos magnéticos insertarán altas presiones en el medio interestelar en épocas tempranas debido al mayor nivel de actividad de formación estelar en esas galaxias tempranas. Esta expectación, demostrada en nuestros estudios, necesita su confirmación con las observaciones del SKAO”, dice Fatemeh Tabatabaei.

El Observatorio de la Red de un Kilómetro Cuadrado (SKAO, por sus siglas en inglés) cuya construcción ha empezado este año, pronto será el radiotelescopio más grande del mundo. Gracias a su sensibilidad y velocidad de cartografiado, este observatorio arrojará luz sobre temas esenciales de la Astronomía y la Astrofísica. Sus objetivos incluyen la investigación de estructura en el universo temprano, la formación de las primeras estrellas y galaxias; y la evolución de las galaxias. En la mayoría de los casos, estos fenómenos se estudiarán mediante cartografiados en múltiples frecuencias, cubriendo diferentes zonas del cielo durante las diferentes fases de despliegue del Observatorio.

Información adicional:

Este estudio es el resultado de una colaboración internacional cuyos miembros son: M. Ghasemi-Nodehi (Institute for Research in Fundamental Sciences, Tehran, Iran [IPM]), Fatemeh S. Tabatabaei (IPM, Instituto de Astrofísica de Canarias, Tenerife, Spain [IAC], and Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg, Germany [MPIA]), Mark Sargent (International Space Science Institute, Bern, Switzerland [ISSI] and University of Sussex, Brighton, United Kingdom), Eric J. Murphy (National Radio Astronomy Observatory, Charlottesville, USA), Habib Khosroshahi (IPM), Rob Beswick (Jodrell Bank Centre for Astrophysics/e-MERLIN, The University of Manchester, United Kingdom), Anna Bonaldi (SKA Organisation, Jodrell Bank, Macclesfield, United Kingdom), and Eva Schinnerer (MPIA).

Artículo: M Ghasemi-Nodehi, Fatemeh S Tabatabaei, Mark Sargent, Eric J Murphy, Habib Khosroshahi, Rob Beswick, Anna Bonaldi, Eva Schinnerer (2022) Evolution of thermal and non-thermal radio continuum emission on kpc scales – predictions for SKA. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 515, Issue 1, September 2022, Pages 1158–1174, https://doi.org/10.1093/mnras/stac1393

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