El Gordo y la Flaca

Una notable imagen del telescopio Webb del enorme cúmulo de galaxias llamado el Gordo es una joya de lentes gravitacionales. Las galaxias del Gordo son las de color cremita o blanco en esta imagen, algunas muy grandes (las de la izquierda), pero las medianas y chicas están por todos lados. En este recorte destaqué una de las notables galaxias más lejanas, que aparece amplificada y distorsionada formando un palito, y que los astrónomos llaman la Flaca:

 

El Gordo está a unos 7 mil millones de años luz de nosotros, y con una masa de unos \(2\times 10^{15}\) masas solares, es el cúmulo más grande del universo a esa distancia o más allá. Es el equivalente a unas 2000 veces la masa de la Vía Láctea, o el doble de la masa del gran cúmulo de Virgo. Está en la constelación de Fénix, a mitad de camino entre NGC 253 y la Nube Menor de Magallanes. La imagen completa del Webb es un panorama sobrecogedor, que recomiendo ir a ver en su versión original, achicada aquí a HD:

En esta imagen entera se puede apreciar que el Gordo tiene dos componentes principales (arriba y la derecha, y abajo y la izquierda), que están en proceso de fusionarse. El siguiente recorte muestra parte de la componente principal, donde se cuelan un par de estrellas de nuestra propia galaxia (con los característicos rayos del Webb), y un zafarrancho de una galaxia lejana, que aparece distorsionada y fragmentada por el efecto de la gravedad del Gordo:

Otro recorte, cerca de esta región, muestra una galaxia extremadamente distorsionada por un par de las grandes del Gordo:

Esta rareza anaranjada se llama el Anzuelo, y está a 23 mil millones de años luz. La vemos tal como era hace 12 mil millones de años, apenas 1000 millones después del Big Bang. El poderoso efecto de lente gravitacional permite, aun a esa distancia, distinguir varias estructuras, incluso su núcleo. 

Vale la pena aclarar que no estoy traduciendo estos nombres, son así en castellano en los papers: Gordo, Flaca y Anzuelo... Pero el objeto que más me llamó la atención en el estudio del Gordo tiene nombre quechua: Quyllur, que significa estrella. Está también en una galaxia lejana y magnificada gravitacionalmente (que en la foto completa está abajo a la izquierda):

Quyllur es un puntito en esa galaxia roja y estirada. No sé si la distinguen (y menos si están leyendo esto en el celu, cosa que no es para nada recomendable). La siguiente es la imagen del paper, que usa otra gama de colores para que se vea mejor:

El análisis parece indicar que Quyllur es una estrella individual en esa galaxia, que se encuentra a 18 mil millones de años luz, y que la vemos magnificada varios miles de veces. Su color y su espectro corresponden a los de una supergigante roja, como Betelgeuse. En otros sistemas de lente gravitacional como el Gordo se han observado, incluso con el Hubble, estrellas individuales lejanísimas, pero en todos los casos han sido supergigantes azules (o supernovas). La visión infrarroja del Webb ha permitido detectar esta estrella roja, de un tipo completamente distinto. Y seguramente se verán muchas más (hay incluso otras candidatas en esta misma imagen). La composición química del universo era distinta en sus primeros años, de manera que observar estrellas individuales seguramente ayudará a entender la dinámica de la vida de las estrellas en el universo temprano, en la época de la reionización.

 

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El análisis del Gordo es el primer resultado del proyecto PEARLS (Prime Extra-Galactic Areas for Reionization and Lensing Science). Son cinco papers (todos open access):

• JWST’s PEARLS: Prime Extragalactic Areas for Reionization and Lensing Science: Project Overview and First Results, Windhorst et al. (2023 ) AJ 165:13. DOI 10.3847/1538-3881/aca163

• JWST’s PEARLS: A new lens model for ACT-CL J0102−4915, “El Gordo,” and the first red supergiant star at cosmological distances discovered by JWST, Diego et al. (2023) A&A 672:A3. DOI 10.1051/0004-6361/202245238

• The JWST PEARLS View of the El Gordo Galaxy Cluster and of the Structure It Magnifies, Frye et al. (2023) ApJ 952 81. DOI 10.3847/1538-4357/acd929

• PEARLS: Low Stellar Density Galaxies in the El Gordo Cluster Observed with JWST, Carleton et al. (2023) ApJ 953:83. DOI 10.3847/1538-4357/ace
  

• Are JWST/NIRCam color gradients in the lensed z=2.3 dusty star-forming galaxy El Anzuelo due to central dust attenuation or inside-out galaxy growth?, Kamieneski et al. (2023) Accepted in ApJ. DOI 10.48550/arXiv.2303.05054

Protocluster

La materia del universo, en la era estelífera en que vivimos, está organizada en estrellas (como el Sol), galaxias (que son sistemas de estrellas), cúmulos de galaxias (que son sistemas de galaxias), y supercúmulos (que son sistemas de cúmulos de galaxias). No hay estructuras más grandes, no hay "cúmulos de supercúmulos". La jerarquía se detiene allí, y llena el universo formando una especie de espuma, con grandes vacíos entre los supercúmulos y filamentos que los conectan. ¿Cómo llegó el universo a ser así? Tenemos dos herramientas para saberlo: primero, la física, capaz de describirnos matemáticamente la evolución del universo porque las leyes de la física son las mismas en todos lados y en todo momento. Segundo, Francia. Y tercero, la observación, porque la física es una ciencia empírica. El telescopio Webb está acumulando rápidamente las observaciones que servirán para entender la primera fase de la formación de esta estructura.

Este es el cúmulo Pandora, nombre informal de cúmulo Abell 2744, en la constelación de Sculptor. Es un supercúmulo, formado por al menos cuatro cúmulos menores (en este recorte se distinguen a simple vista al menos dos agrupamientos de las galaxias blancas que lo forman). Está a 4 mil millones de años luz de nosotros, así que lo vemos tal como era cuando la Tierra estaba recién formada en el sistema solar primitivo, y tal vez ya tenía alguna forma de vida rudimentaria. Es un objeto fascinante en sí mismo, pero no es lo que quería mostrar. 

Una grupo de astrónomos ha usado el cúmulo Pandora como si fuera unos anteojitos delante del Webb, para observar un sistema de galaxias aún más lejanas. Están marcadas en este recorte:

Esos cinco recuadritos encierran siete galaxias, siete galaxias extremadamente rojas, extremadamente lejanas, extremadamente antiguas:

Estas galaxias tienen un redshift confirmado espectroscópicamente de 7.9, lo cual se traduce en una distancia de casi 30 mil millones de años luz de nosotros. Más apropiadamente, vale decir que los vemos tal como eran hace 13100 millones de años, apenas 650 millones de años después del Big Bang. En esa temprana era del universo, de todos modos, ya tenemos esas 7 galaxias ligadas gravitacionalmente, interactuando, y en camino a convertirse, hoy en día, en un cúmulo como el de Virgo (ellos lo comparan con el de Coma, pero nunca hablé de él en el blog). Es un protocúmulo. La masa total estimada en las siete galaxias es más o menos la mitad que la de la Vía Láctea solita. Unas 10 mil veces menos que la masa que deben tener hoy en día. En esa temprana época todavía les estaba lloviendo hidrógeno primordial, y seguramente les faltaba fusionarse con otros grupos vecinos. Las vemos separadas en la foto, pero teniendo en cuenta el efecto de magnificación que produce el Pandora, resulta que están apretaditas en una región de sólo 200 mil años luz (dos vías lácteas).

Esta observación es parte de uno de los ambiciosos programas de observaciones profundas del Webb, llamado GLASS-JWST, y está contada en el paper XIV de sus "resultados iniciales". Los espectros se obtuvieron con exposiciones de menos de 5 horas. El Webb es tremendo. 

Coincidentemente, también se publicaron resultados iniciales de otro de los programas que observan el universo temprano: ASPIRE. En este caso se trata del componente que complementa a los cúmulos en la formación de la espuma de materia cósmica, conectándolos: un proto-filamento:

Las galaxias que lo forman están marcadas con circulitos. En uno de ellos (el que indica la flecha) hay además un quasar (sean buenos y digan cuéisar, más que nada para mandarse la parte). El quasar es el núcleo activo de una de las galaxias: un agujero negro gigante con un chorro de materia y energía, tan pequeño en comparación con las galaxias que en la foto del Webb tiene las 6 puntas características de las estrellas (quasar significa "quasi stellar", if you know what I mean). Vemos este filamento poco después de que comenzó a formarse, 800 millones de años después del Big Bang:

Hoy, como el otro, debe ser pesado como cualquiera de los cúmulos que vemos a nuestro alrededor.

Estos no son los primeros protocúmulos que se conocen. El de GLASS, por ahora, es el más antiguo. Pero esos récords son efímeros e irrelevantes: lo importante es acumular sus observaciones, entender cómo funcionan como población dinámica, y usarlos para mejorar los modelos matemáticos que nos dirán cómo el universo llegó a ser como es. 

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El primer paper es Morishita et al., Early Results from GLASS-JWST. XIV. A Spectroscopically Confirmed Protocluster 650 Million Years after the Big Bang, ApJL 947:L24 (2023).

El segundo es: Wang et al., A SPectroscopic survey of biased halos In the Reionization Era (ASPIRE): JWST reveals a filamentary structure around a z=6.61 quasar, ApJL 951:L4 (2023).

Sin pila, sin cable, sin piedra

Cuando aparecieron las primeras imágenes del telescopio Webb comenté que la que más me había impresionado era el Primer Campo Profundo:

En aquella ocasión comenté varias cosas sobre esta foto, y en varias conferencias señalé algunas más. Entre ellas, que me intrigaba esta galaxia muy lejana (muy roja), que parecía tener un enjambre de cúmulos globulares asociados:

Me imaginaba montones de tesis doctorales escritas sobre ella, porque nunca habíamos visto una población de globulares en una galaxia del universo temprano. Nótese que esta galaxia aparece amplificada, distorsionada y con imágenes múltiples (flechas), por efecto de la gravedad del cúmulo galáctico SMACS 0723 (las galaxias blancas). En imágenes del mismo campo hechas por el telescopio Hubble se ve la galaxia, pero no sus cúmulos globulares:

La galaxia fue bautizada Sparkler ("Chispero") en una artículo publicado en octubre de 2022, que efectivamente interpretó las "chispas" como cúmulos globulares maduros, destacando la importancia de su estudio: en un universo joven con un frenesí de formación estelar, estos cúmulos estarían entre los primeros sistemas que habrían detenido su formación estelar (ya que así son los globulares que vemos a nuestro alrededor, en la Vía Láctea por ejemplo).

Un paper de  enero de este año agregaba que algunas de estas estructuras tenían características de color y ubicación que sugerían que eran restos de galaxias asimiladas por el Chispero. Este mecanismo es, por supuesto, uno de los posibles orígenes de los cúmulos globulares, si bien es posible que algunos se formen localmente en las más grandes regiones de formación estelar. 

El mes pasado, otro artículo estudió características adicionales de las "chispas", logrando deducir sus masas, edades y composición química. Si bien encuentran que los modelos de evolución galáctica no logran explicar completamente las características observadas, no hay que desesperarse y salir corriendo al grito de «¡el Webb prueba que el Big Bang está mal!». El Webb se diseñó precisamente para observar y medir el universo joven, y mejorar los modelos matemáticos que describen su dinámica. Lo más interesante que comentan es que los cúmulos del Chispero parecen tener dos composiciones químicas distintas: algunos son de baja metalicidad y otros de alta metalicidad. Ojo, los astrónomos llaman "metales" a todos los elementos químicos más pesados que el hidrógeno y el helio, qué le vas a hacer. Y hay que hacer una salvedad adicional: todos los cúmulos globulares son pobres en metales, pero aún así algunos tienen menos metales que otros, y los especialistas les dicen "alta metalicidad" a los que tienen un poquito más, lo cual es muy confuso para los no especialistas. No se sabe por qué existen estas dos subpoblaciones de globulares, pero naturalmente se sospechan los dos orígenes distintos: los de menor metalicidad serían "nacidos globulares" y los que tienen una química más rica serían residuos (núcleos, por ejemplo) de galaxias asimiladas. Precisamente, el Chispero parece estar devorando a una galaxia menor, de masa comparable a una de las que se comió la Vía Láctea (llamada la Salchicha de Gaia, otro día la comento). La Chispero misma parece tener una masa similar a la Nube Mayor de Magallanes, y calculan que en los 9000 millones de años transcurridos desde el momento en que la observamos, hoy en día sería una galaxia como la Vía Láctea. Eso sí: ya se le habrían vencido los 104 años de garantía. Es posible que la Vía Láctea haya sido como el Chispero, cuando era joven. Qué lindo.

Este paper tuvo una relevancia especial para mí, porque me contactó mi amigo Víctor Ingrassia para comentarlo. A mi vez, lo puse en contacto con mi amigo Nico Maffione, astrónomo de la Universidad de Río Negro en Bariloche, cuya especialidad es precisamente la evolución de las galaxias por asimilación de otras galaxias, lo que él llama "arqueología galáctica". Víctor publicó una linda nota en Infobae: Qué son las galaxias caníbales y cómo crecen en el espacio. El título bien elegido de la nota de Víctor llamó la atención de Hernán Harris, periodista de CNN y Neura Media, con quien hicimos una linda charla para su programa Mediodía Neura. Les dejo el video, por si no lo vieron, y otro día comento algunas cositas para los que prefieran leer antes que escuchar.

 

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La imagen del Primer Campo Profundo del Webb es de NASA/ESA/CSA/JWST. Las otras son de los papers citados:

Mowla et al., The Sparkler: Evolved High-redshift Globular Cluster Candidates Captured by JWST, ApJL 937:L35 (2022). 

Claeyssens et al., Star formation at the smallest scales: A JWST study of the clump populations in SMACS0723, MNRAS 520:2180–2203 (2023).

Forbes & Romanowsky, Reconstructing the genesis of a globular cluster system at a look-back time
of 9.1 Gyr with the JWST, MNRAS 520:L58–L62 (2023).

Primeras luces del JWST

Las primeras imágenes del Telescopio Espacial Webb son extraordinarias, tal como preveíamos habiendo visto las pruebas de ingeniería que se hicieron durante la puesta a punto de los instrumentos durante los últimos meses. Evidentemente, los objetos fotografiados fueron elegidos cuidadosamente: dos imágenes que muestran la evolución del universo, dos sobre la evolución de las estrellas, y una sobre ¿la evolución de la vida? 

La más impresionante es el Primer Campo Profundo (no dejen de descargar la imagen a resolución completa; esto no es algo para ver en el celu, eh).

La imagen es muy compleja, y voy a describir someramente lo que muestra. Vemos unas pocas estrellas de nuestra propia galaxia: son los puntos brillantes que tienen 6 rayos (y dos más cortitos), producidos por la peculiar geometría del telescopio, a los que nos tenemos que acostumbrar (el Hubble y muchos otros telescopios producen 4 rayitos alrededor de las estrellas brillantes). En medio de la imagen vemos un gran cúmulo de galaxias: son las galaxias blancuzcas, más bien grandecitas. Los cúmulos de galaxias son los ladrillos que forman el universo. Recordemos que cada galaxia es una colección de cientos de miles de millones de estrellas, que no podemos ver individualmente en fotos como esta, ni siquiera con el Webb. Este cúmulo está tan lejos que la luz que vemos es tan antigua partió al mismo tiempo que se estaban formando el Sol y la Tierra. Con todo, son las galaxias más cercanas de la foto. Mezcladas entre ellas vemos una cantidad de arcos rojos y anaranjados: también son galaxias, con formas muy distintas de las que estamos habituados. Son galaxias mucho más lejanas que las del cúmulo, que actúa como una gigantesca lente natural distorsionando y amplificando la luz que lo atraviesa, obedeciendo a la Relatividad General. Finalmente, esparcidas por el campo, vemos miles y miles de puntitos pequeños: son más y más galaxias, hasta el confín de los tiempos.

El telescopio midió la distancia a algunas de ellas produciendo unos exquisitos espectros de su luz. Las más lejanas se ven como pequeños puntitos rojos, y hay una identificada cuya luz partió hace 13100 millones de años, cuando el universo era un bebé. ¡Sería como verme a mí cuando tenía 2 añitos y medio! ¿Se imaginan si un arqueólogo pudiera ver una población humana de hace 95 mil años? Los telescopios son realmente como máquinas del tiempo, nos muestran el pasado del universo. Ese universo medía la décima parte de lo que mide ahora, y las galaxias eran muy distintas. En sus espectros, sin embargo, Webb identificó la presencia de elementos pesados, indicando que a pesar de ser tan distintas, ya habían pasado por una o más generaciones de estrellas, que enriquecieron su química con respecto al hidrógeno y helio primordiales, que vienen del origen del universo. 

Vale la pena comentar que el campo fotografiado es pequeñísimo, como un granito de arena a la distancia de un brazo extendido: si sostenemos una birome con el brazo en alto, la bolita de la punta está eclipsando la luz de cien mil galaxias, cada una de ellas con sus centenares de miles de millones de estrellas, más sus planetas, sus lunas, sus cometas, y la mar en coche. También vale la pena destacar lo fácil que le resulta al Webb obtener esta imagen, incluídos los exquisitos espectros, en una exposición de 12 horas. Los campos profundos del Hubble (menos profundos que este, recordemos) llevan semanas. Una comparación con el mismo campo, fotografiado por el Hubble, muestra el enorme salto que representa el telescopio Webb: no es marginalmente mejor que el Hubble, es una generación nueva de instrumentos, tanto ópticamente como en sus sensores. Noten no sólo la multitud de galaxias pequeñitas, sino también los detalles de las más grandes. Esta comparación abarca más o menos el ancho de un pelo sostenido con el brazo extendido.

A propósito de la mar en coche, la imagen más cercana compartida en la primera tanda no es una foto, sino un espectro de la atmósfera de un planeta pasando por delante de su estrella, un mini eclipse durante el cual el Webb pudo pispear fugazmente la composición química de sus gases. No es una imagen atractiva como una foto, pero esconde tesoros que recién se van a empezar a analizar. Esa curva con subidas y bajadas muestra que hay vapor de agua y cuánta hay, que hay nubes y bruma, que hay vientos. Algún día, observando alguno de estos planetas lejanos (no este), Webb nos mostrará que existe algún gas que delate la presencia de vida. El proyecto del Webb se inició en 1995, el mismo año que se descubrió el primero de estos planetas alrededor de otras estrellas. ¡Hoy conocemos miles! El proyecto original seguramente ni siquiera contemplaba este tipo de observaciones de atmósferas a mil años luz de distancia. 

Las imágenes se ven hermosamente multicolores. Esto me sorprendió un poco. Webb no ve luz, sino radiación infrarroja, que desde el punto de vista de la astronomía es mejor que la luz, porque es más penetrante en el espacio interestelar e intergaláctico. Observen los filamentos anaranjados en la imagen del Quinteto de Stephan (recortada y achicada aquí abajo, vayan a ver la original): son de polvo, que se ve oscuro en fotos de luz visible. Pero la radiación infrarroja no es distinta de la luz, es el mismo fenómeno físico. Es luz, sólo que luz que no podemos ver. Para construir imágenes que podamos apreciar nosotros, primates visuales, los astrónomos le asignan a cada color infrarrojo un color de luz visible. Lo que vemos como azul en las fotos del Webb es un infrarrojo completamente invisible para el ojo humano. Yo no sabía cómo iba a quedar, y me daba un poco de miedo de que no fueran imágenes tan atractivas como las del Hubble, que durante más de una generación han capturado la imaginación de la gente. Afortunadamente, el resultado es magnífico. 

Las cuatro fotos que vimos en la primera tanda son hermosas, pero son sólo astrofotos. Esas galaxias lejanas, por ejemplo, ¿cómo son? ¿cuántas hay? ¿cuánto pesan? ¿cómo son sus estrellas, de qué están hechas? ¿cómo llegaron a convertirse en "vías lácteas"? ¿Cómo son sus agujeros negros centrales? Esconden un tesoro de información codificada en su luz, y la ciencia del Webb recién empieza. 

 

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Las imágenes son de NASA/ESA/STScI/JWST/HST. A pesar de que las noticias titularon "la NASA revela..." es importante recordar que el JWST, al igual que el HST, es un proyecto multinacional, como casi todos los grandes proyectos científicos.

Virgo virtual

Rhys Taylor es un astrofísico que trabaja observando galaxias en la banda de 21 cm, algo que él define como "mayormente, observar estática". También escribe una serie de blogs que leo habitualmente: Physicists of the Caribbean (porque hizo un postdoc en Arecibo), y sus spin-offs Little Physicists and Decoherency. Me encanta su estilo, su humor, y las cosas que cuenta (si bien es muy verborrágico, y sus notas son larguísimas, algo que yo aprendí a evitar). Allí cuenta y muestra cuestiones astronómicas, muchas veces ilustradas con la maestría de su segunda pasión, las animaciones CGI, hechas en la computadora.

Hace unos meses, justo cuando yo estaba escribiendo sobre el cúmulo de Virgo y sus galaxias, Rhys publicó una visualización preciosa, Virgo Virtual Visuals. Esta es una imagen.

No es una foto, como la mía, sino una visualización basada en las imágenes de las galaxias hechas como parte del proyecto SDSS. Rhys recortó cada galaxia del cúmulo, limpió y procesó las imágenes, y las acomodó en un mapa que parece una foto. Pero no sólo esto: usando los mejores datos disponibles de la distancia a cada galaxia individual, su mapa es tridimensional. Es mucho mejor que una foto, ya que se puede navegar a través del cúmulo como nunca podremos hacerlo en la vida real. Preparó un videíto con un vuelo (pónganlo en full screen):

¿No es una preciosidad? Traten de identificar las galaxias principales del cúmulo, que hemos comentado aquí, y seguirlas durante el vuelo: M87, M49, M86 y la cadena de Markarian...

Pero esto no es todo. Aburrido durante la cuarentena del Covid-19 en Praga (ahora trabaja en Praga, habiendo escapado de las selvas caribeñas), decidió incorporar interactividad a su visualización. Y lo hizo explotando las posibilidades 3D de la internet moderna, ya que la visualización entera es un archivo html que se puede usar dentro del propio navegador. Es un archivo medio gigante, de 90MB, así que conviene descargarlo y abrirlo localmente, a menos que tengas una conexión súper rápida (que no es el caso en Bariloche). El enlace es éste: Virgo Virtual Visuals.

Tiene unos poco controles bastante fáciles de usar, que permiten acercarse, alejarse y moverse alrededor del cúmulo. Y una opciones (un poco intrusivas, para mi gusto) que permiten sacar o poner elementos: escala, etiquetas y tipos de galaxias.

A propósito de éstas, la nomenclatura no es obvia: ETG (early type galaxies, tipo temprano) y LTG (late type galaxies, tipo tardío). ¿Qué es esto del tipo temprano y tardío? ¿Acaso las galaxias evolucionan y envejecen? Sí y no. Las galaxias evolucionan, como hemos contado más de una vez, mediante colisiones y fusiones. Pero las denominaciones de tempranas y tardías no tienen nada que ver con esto. Es una de esas cosas que quedan fosilizadas en la tradición, y nunca se van del todo. Como el bang del Big Bang, pero en este caso ni siquiera es un nombre marketinero. El culpable, en este caso, es el mismísimo Edwin Hubble, de galáctica fama.

Básicamente, las ETG son galaxias suaves, sin estructura, tirando al cremita (los astrónomos dicen rojo, pero es un beigecito), compuestas mayormente por estrellas ancianas y se han quedado con poco gas interestelar. Las galaxias elípticas son de este tipo. Las LTG tienen todavía mucho gas, están activamente formando estrellas, lo cual les da un color mucho más azulado. Tienen además generalmente bastante estructura, típicamente espiral, como la Vía Láctea. Como se ve, ¡la denominación es más bien al revés! Aunque ni siquiera, porque la evolución de las galaxias no es tampoco así de lineal. Nadie sabe por qué Hubble inventó estos nombres, ya que él mismo, en una nota de pie de página, reconoce que no se refiere a la edad cronológica de las galaxias, sino a la complejidad de sus estructuras cuando se las acomoda en un diagrama que él inventó:

La visualización permite encender y apagar independientemente las galaxias tempranas y tardías, y apreciar una segregación morfológica: las galaxias tempranas tienden a amontonarse, mientras que las tardías están más dispersas, incluso formando la periferia del cúmulo. ¿Por qué pasa esto? La verdad que no se sabe, y es un tópico de intensa investigación entre los galactólogos. ¿Acaso las elípticas están en el fondo de un pozo gravitacional que ellas mismas crean, y la espirales caen hacia ellas? En el cúmulo de Virgo, las ETG forman un esqueleto alargado, que ya mencioné en aquella nota.

Otra cosa interesante que se puede visualizar con una herramienta como ésta es que Virgo no es un cúmulo monolítico, sino que está formado por varias componentes. También mencionamos este aspecto cuando revisamos mi foto. Las dos componentes principales son las que están dominadas por dos grandes galaxias tempranas, M87 y M49, pero hay otras, grandes y chicas, que pueden apreciarse bien moviéndose alrededor.

¿Cómo sabemos la distancia a estas galaxias, si están tan lejos que ningún método geométrico funciona? La clave la descubrió Hubble, quien cuando no estaba inventando terminologías absurdas era bastante genial. En la luz de cada galaxia está escondida su distancia, codificada como la velocidad a la que se aleja de nosotros arrastrada por la expansión del universo. Hoy en día se puede medir esta velocidad con enorme precisión, del orden de 1 km/s (¡a millones de años luz!). Pero superpuesto a este alejamiento está la velocidad propia de cada galaxia dentro de su cúmulo, y no es fácil desentrañar los dos efectos. Según Rhys, este es el punto más débil de la visualización, ya que la posición en la tercera dimensión es mucho más incierta que en las otras dos. Igual, me encantó.

Se acaba de publicar la decimosexta edición del catálogo SDSS, con un par de millones de galaxias y quasars, y estaría buenísimo poder usarlo para navegar interactivamente en 3D. No sé si Rhys hará algo, pero estaré atento. Pronto DESI llevará ese número a un par de decenas de millones, y nuevos telescopios espaciales como Euclid de la ESA y WFIRST de la NASA medirán redshifts a cientos de millones de galaxias. Antes del fin de la década la "tensión" en la constante de Hubble se habrá resuelto.

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Todas las imágenes son de Rhys Taylor, o generadas con la visualización de Rhys Taylor, quien gentilmente accedió a que difundiera aquí su trabajo. No se pierdan sus otras visualizaciones, en su página web.

E Hubble, Extra galactic nebulae, Astrophysical Journal 64:321-369 (1926). Allí dice que: "“Early” and “late,” in spite of their temporal connotations, appear to be the most convenient adjectives available for describing relative positions in the sequence." Ah, bueno.

El cúmulo de Virgo

"Leo, a roaring Lion lies in the path [...]; we escape

and hail Virgo, the Virgin! that's our first love."

Herman Melville, Moby Dick

En el cielo hay objetos únicos, que capturan el interés tanto de astrónomos profesionales como aficionados: la Luna, Saturno, la nebulosa Homúnculo... Entre Denébola, la Cola del León, y Vindemiatrix la Vendimiadora, está el cúmulo de galaxias de Virgo.

Los ladrillos del universo no son las estrellas ni las galaxias, son los cúmulos de galaxias. Son grandes conglomerados de galaxias ligadas gravitacionalmente entre sí, dinámicos, alejándose unos de otros arrastrados por la expansión del universo. Forman una especie de espuma, como se ve en este relevamiento, donde los cúmulos son como paredes de burbujas que encierran grandes vacíos. En el universo, el cúmulo de Virgo es uno más. Pero en nuestro cielo es especial porque, a 50 millones de años luz, es el más cercano, y nuestro Grupo Local de galaxias siente su gravedad*. Para los astrónomos, es un laboratorio único con miles de galaxias de todos los tipos y luminosidades, todas a la misma distancia para conveniencia de su estudio. Para los aficionados, es el único lugar en el cielo donde pueden verse montones de galaxias, incluso varias en el mismo campo, con telescopios medianos de 15 o 20 cm. Es también una oportunidad única para fotografiarlas con equipos modestos.

Esta foto la tomé en la Star Party Valle Grande 2019, con la Canon T3i y teleobjetivo Canon de 100 mm F/2 stoppeado a F/2.8. Aquí no hay telescopio. La cámara, eso sí, está sobre una montura motorizada iOptron SkyTracker, que me permitió hacer exposiciones de 2 minutos. Con 23 de ellas compuse esta imagen de 46 minutos de exposición:

Las galaxias son tenues, y como el campo abarca 13 grados de ancho hay muchas estrellas de nuestra propia galaxia que confunden. Hice una versión en negativo para que las galaxias se vean mejor, y con etiquetas mostrando las más notables.

El cúmulo tiene varias partes. La principal, más grande y más masiva, es la que ocupa la parte inferior de mi imagen. Está dominada por la gigantesca elíptica M87, la galaxia de la famosa foto del agujero negro central del año pasado. La segunda componente es la que está al sur (arriba), dominada por la galaxia M49. Voy a mostrar algunos recortes al 100% de resolución, porque la foto del cúmulo completa está muy reducida en esta columna. Igual están achicadas, para verlas al 100% van a tener que clickearlas cada una.

Esta es la región central del cúmulo de Virgo, donde encontramos la enorme M87 y el notable grupo de galaxias alineadas llamado Cadena de Markarian:

En un telescopio mediano con un campo visual grande la Cadena de Markarian puede verse entera o casi, lo cual es una vista única y sobrecogedora. Podemos identificar algunas de ellas en una imagen en negativo:

Las más brillantes de la cadena son M84 y M86, dos galaxias elípticas que junto a las espirales vistas de canto NGC4388 y NGC4402 forman una linda cara, con una sola ceja, que en la foto general se ve invertida, y que aquí al lado acomodé mejor. La nariz también es una galaxia, la pequeña elíptica NGC4387. El centro de masa del cúmulo no se encuentra en la galaxia dominante M87, como suele creerse, sino en la mejilla derecha de esta carita. M86 no tiene un redshift sino un blueshift: se mueve hacia nosotros a más de 400 km por segundo, reflejando la dinámica interna del cúmulo.

La alineación de estas ocho o más galaxias es un efecto de perspectiva. M84 no está tan cerca de M86 como parece, sino bastante más atrás. La galaxia grande más cercana a M86 es la gigante M87. De hecho, puede verse que mientras M84 es bien redondita, M86 parece estirada, precisamente en la dirección de M87. Tiene también una larga cola de gas, producida por su movimiento supersónico en el medio intergaláctico. En negativo se ve mejor el estiramiento, en la dirección que indica la flecha:

Curiosamente el famoso jet relativista de M87, que surge de su agujero negro central, apunta exactamente hacia M86. ¿Cómo sabe el agujero negro dónde está M86? Es un misterio. O una casualidad. 

En el cúmulo hay muchos otros ejemplos de galaxias en interacción, en distintas etapas de colisión y fusión. Uno de los más famosos está también en la Cadena de Markarian: las galaxias NGC4435 y 4438, que forman los Ojos de Copeland por su aspecto en el telescopio. Aquí seleccioné cuatro lindos ejemplos:

NGC4302 y 4298 son una preciosura pero no tienen nombre propio, pobrecitas. Forman un par muy contrastante, una espiral de canto y una casi de frente. Busquen sus fotos del Telescopio Hubble, son impresionantes. Están en una linda región del cúmulo, donde encontramos otra gran espiral de frente, M99, y otra más, M98, de canto:

Otra de las grandes galaxias del cúmulo es NGC4216, una espiral con un núcleo muy brillante (o un disco poco brillante: es una galaxia anémica, con poco gas), más grande que nuestra vecina la galaxia de Andrómeda. Dos espirales chiquitas con la misma inclinación la acompañan:

Identifiqué una manchita insignificante cerca de NGC4216 como una galaxia enana en interacción con ella, en medio de una larga cola de gas visible en algunas fotos. Es como nuestras Nubes de Magallanes. Tiene magnitud 19, lo cual me deja boquiabierto, la lente tiene 58 mm de apertura.

M49 es la galaxia más brillante del cúmulo (magnitud 9.4), y es la que domina el subcúmulo B. Es una gran elíptica, en cuyo campo se encuentran dos lindas espirales, NGC4535 de frente (la Galaxia Perdida de Copeland, que increíblemente en mi foto muestra varias de sus regiones de formación estelar) y 4526 de canto:

En una tierra de nadie entre ambas componentes del cúmulo está M58, una gran espiral barrada (que muestra algo de su polvo en mi foto, aunque no se distinguen los brazos), y las Siamesas que ya mostré, y que son como deben haber sido las Antenas hace unos 100 millones de años:

Si tenés un telescopio mediano o grande, y acceso a un lugar oscuro, no dejes de observar el cúmulo de Virgo en las noches del otoño austral. Ahora es la mejor época: está directamente al Norte un par de horas antes de la medianoche. Recordá que cada una de sus miles de galaxias, que te parecerán manchitas de luz, tiene cientos de miles de millones de estrellas y planetas.

"We recognize how every object has a divine beauty in it; 

every object still verily is a window through which 

we may look into Infinitude itself."

Thomas Carlyle

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La imagen del sondeo de galaxias es del 2dF Galaxy Redshift Survey. Muestra dos rodajas del cielo, hasta una profundidad de 2500 millones de años luz, una de cada lado del plano de la Vía Láctea, como se ve en esta ilustración.

* El cúmulo de Virgo es la mayor componente del supercúmulo de Virgo, o supercúmulo local, que abarca un centenar de cúmulos y grupos (como nuestro Grupo Local). La estructura llamada Laniakea abarca varios supercúmulos vecinos pero, a diferencia de estos, no está ligada gravitacionalmente y se desarmará en el futuro. Estas estructuras, como se ve en el sondeo 2dF, no tienen bordes nítidos sino que forman un continuo de filamentos y burbujas.

Photobombing en el supercúmulo

La semana pasada mostré preciosos arcos luminosos en el cúmulo de galaxias Abell 370, que son imágenes elongadas de galaxias más lejanas, distorsionadas por el efecto de lente gravitacional. En el campo paralelo de Abell 370, fotografiado como comparación en el programa Frontier Fields, no se veían arcos. Pero en realidad el campo paralelo se ve así:

¡Epa! ¿Hay lente gravitacional en el campo paralelo? No, no. Si se fijan bien estos arcos son distintos que las galaxias distorsionadas como el Dragón. Son bien brillantes, regulares y no son concéntricos. En la imagen de Abell 370 también aparecen, pero los astrónomos los remueven para no confundir:

¡Son asteroides que se colaron en la foto! Resulta que Abell 370, en la constelación de Cetus, la Ballena, está muy cerca de la eclíptica, que es el plano donde orbitan la mayor parte de los cuerpos del sistema solar. Así se ve hoy a medianoche, por si alguien quere salir a cazar dragones:

Por estar cerca de la eclíptica unos cuantos asteroides se colaron en la foto. Sus imágenes están movidas porque las fotos de los Frontier Fields son exposiciones extremadamente largas, y el telescopio espacial Hubble se mueve en su órbita mientras las hace. A eso se debe también la formita curvada de las trazas de los asteroides. Además hay trazas repetidas, porque la foto es tan larga que se la obtuvo haciendo múltiples exposiciones (llamadas épocas) a lo largo de años, acomodándolas intercaladas con las de muchos otros proyectos del telescopio.

Las imágenes con los asteroides también son preciosas, y nos recuerdan las muchas vicisitudes que tiene la astronomía en el mundo real. Las fotos fantásticas a las que nos hemos acostumbrado están muy procesadas por los expertos en imágenes antes de llegar al público. En alguna medida todos los que compartimos nuestras fotos astronómicas también lo hacemos.

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Las imágenes de Abell 370 y su campo paralelo son de NASA/ESA/Hubble Space Telescope. La imagen del cielo está hecha con Stellarium.

El Dragón en la panza de la Ballena

En la constelación de la Ballena, casi exactamente en el ecuador celeste, hay un objeto extraordinario que, por razones obvias, ha recibido el sobrenombre de "el Dragón":

¡Qué es esto! Es una galaxia. A la izquierda vemos la cabeza del Dragón, que tiene pinta de galaxia espiral, con un núcleo anaranjado de estrellas antiguas y azules brazos de estrellas jóvenes, festoneados de puntos brillantes de intensa formación estelar. Un cuello, un cuerpo y una cola serpentean hacia la derecha, también pintados de naranja y celeste. Es una galaxia, pero no se parece a ninguna de las galaxias que estamos acostumbrados a ver. ¿Tal vez tiene una larga cola producto de una interacción con otra galaxia? Después de todo el Dragón parece estar nadando en un mar de otras galaxias. Pero no es eso. Otros filamentos que vemos por ahí apuntan a otro fenómeno. El campo completo de este cúmulo de galaxias, conocido como Abell 370, permite ver lo que está pasando:

En Abell 370 vemos cientos de galaxias, grandes y chicas. Pero lo más notable salta a la vista: el Dragón es un caso peculiar de una multitud de arcos luminosos, algunos reconociblemente galaxias estiradas y deformadas, formando un patrón casi circular alrededor de su centro. Abell 370, con su enorme masa, funciona como un telescopio de mala calidad, aumentando y distorsionando la luz de galaxias más lejanas. Se trata de un caso extremo de lente gravitacional, en la cual la refracción de la luz no la produce un medio material (como en una lupa de vidrio) sino la mismísima curvatura del espacio-tiempo que explica la Relatividad General.

Abell 370 es uno de los cúmulos del programa Frontier Fields, una ambiciosa campaña de observación profunda de seis cúmulos de galaxias usando el Telescopio Espacial Hubble, con la intención de aprovechar estos "telescopios naturales" para observar el universo joven, más allá de lo que el Hubble solito puede hacer. Además de cada cúmulo se observó un campo vecino, sin la lente gravitacional, con propósitos de comparación. Éste es el "aburrido" campo paralelo de Abell 370:

Vale un recordatorio: cada lucecita en estas imágenes no es una estrella, sino una gran galaxia con centenares de miles de millones de estrellas, con sus planetas, lunas, asteroides, cometas...

Además de permitir observar lejanísimas galaxias de otro modo inaccesibles, la deformación que produce la lente gravitacional permite calcular la distribución de materia en el cúmulo. Es un ejemplo de un problema inverso: dado un resultado, descubrir la causa que lo produce. Los problemas inversos son notoriamente difíciles, y es un gran mérito de los astrónomos la maestría que han logrado. Para Abell 370 la lente es así, pintando de azul la distribución de materia:

Dos cosas son notables aquí. Primero, que la distribución de materia no coincide exactamente con las galaxias que vemos formando parte del cúmulo, algunas de ellas muy brillantes, grandes y seguramente enormemente masivas. De hecho, la máxima densidad de la lente está aquí, ¡justo en un sitio donde no hay galaxias! Toda esta materia tiene masa (porque la vemos distorsionando la luz) pero no brilla como las estrellas de una galaxia. Por tal razón la llamamos materia oscura. Aparte de que existe y que produce estos efectos, no sabemos gran cosa de ella.

En segundo lugar, vemos que hay dos núcleos de materia oscura (dos partes de azul más brillante). Esto muestra que Abell 370 no es un cúmulo sino dos cúmulos en colisión (tal vez sean cuatro). Cuando chocan dos cúmulos de galaxias rara vez chocan sus miembros unas con otras, tal es la vastedad del espacio entre ellas. Pero el tenue gas que hay entre ellas sí choca, y en el choque se comprime, se calienta y queda un poco atrás del resto de su cúmulo. Ese gas caliente emite rayos X, y ha sido observado por el Telescopio Espacial Chandra. Aquí lo vemos pintado de rosa:

La separación de la nube rosa (gas caliente) y la nube azul (lente gravitacional) constituye una de las mejores evidencias de la existencia de esta rara materia oscura.

El Hubble se ha embarcado en una campaña adicional de observación de los Frontier Fields: BUFFALO (Beyond Ultra-deep Frontier Fields and Legacy Observations). Afortunadamente se solucionó la reciente falla de uno de sus giróscopos y el Hubble ha retomado su trabajo, que nos ha dado tantas maravillas en ya más de un cuarto de siglo.

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Las imágenes son de NASA/ESA/STScI/Hubble Space Telescope/Chandra Space Telescope y sus muchas e internacionales instituciones asociadas.

Estamos en el Horno

Todos los días del año pasa por el cenit de Bariloche uno de los lugares más interesantes del universo de aquí a 100 millones de años luz: el cúmulo de galaxias de Fornax. Es el segundo cúmulo más rico del universo cercano después del cúmulo de Virgo. Miren con cuidado para tratar de distinguir las galaxias de la multitud de estrellas individuales que, naturalmente, están mucho más cerca en nuestra propia galaxia. Abajo hay una versión anotada con muchas galaxias identificadas. Click para descargar o ver más grandes, como de costumbre.

Los cúmulos de galaxias son las estructuras más grandes del universo. Se formaron en una época relativamente reciente al caer las galaxias unas hacia otras, fusionarse y asociarse en una lentísima danza gravitatoria que lucha contra la expansión del universo. Parecen alinearse a lo largo de filamentos de una especie de espuma de materia oscura. Su tamaño descomunal es imposible de abarcar desde nuestra escala humana. Si los cientos de miles de millones de estrellas de una galaxia (¡cientos de miles de millones!) lo dejan a uno con la mente en blanco, ¿que decir de estos cúmulos, que abarcan centenares o millares de galaxias?

El cúmulo de Fornax (puede calcularse aunque cueste imaginarlo) pesa algo más de 10¹⁴ masas solares. Cien millones de millones de soles. Tiene dos subgrupos fácilmente distinguibles. Las galaxias se ven mejor en negativo, así que pongo una imagen en resolución completa para quien quiera escudriñarla (las de arriba están reducidas más o menos a la mitad):

El mayor (al centro de la foto) tiene dos galaxias principales: NGC 1399 (la mayor del cúmulo) y NGC 1365 (con dos lindos brazos espirales). Arriba a la izquierda está el subgrupo menor, alrededor de NGC 1316, que es la galaxia más brillante del cúmulo. Todo este subgrupo está cayendo hacia NGC 1399, en una danza de cúmulos de galaxias que ya ha disparado una intensa formación estelar en varias de ellas. ¿Se fusionarán? ¿Se atravesarán? El propio grupo principal parece estar en un estado de desequilibrio tras haberse formado por la fusión de grupos menores (no está virializado, dicen los astrónomos, regalándonos una linda palabra para el Scrabble). Les muestro un par de detalles para el que le de pereza descargarla.

NGC 1316 es la cuarta fuente más intensa de radio de todo el cielo, designada Fornax A. Es una galaxia peculiar, con aspecto elipsoidal pero con mucho polvo, como Centaurus A, y actualmente está clasificada como lenticular. Parece ser el resultado de la fusión de varias galaxias más pequeñas, datando la última de estas colisiones de hace 3 mil millones de años. NGC 1317, que vemos muy cerquita, podría ser la siguiente en caer. Vean también el lindo par formado por NGC 1326B (una espiral vista de canto) y NGC 1326A: parecen estar en contacto, comenzando su propia fusión.

La enorme NGC 1399 está a 65 millones de años luz de nosotros. Esos fotones capturados por mi Canon comenzaron su loco viaje hacia nosotros cuando los últimos dinosaurios estiraban la pata. Salvo las aves, claro.

La imagen integra 68 minutos de exposición a través de un teleobjetivo de 100 mm (no, no hay telescopio acá). La foto no es muy buena: por razones que no logramos identificar el guiado no funcionó bien esa noche de enero en el lago Gutiérrez, y las exposiciones de 4 minutos quedaron algo movidas. Habrá que probar de nuevo el año que viene. Para quien se pregunte dónde están estos universos-isla en el cielo (después de todo la constelación del Horno no es de las más populares), aquí está la foto registrada en Cartes du Ciel. Orión sirve de referencia, hay que seguir la línea de Betelgeuse a Rigel y se llega derechito.

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Las fotos son mías. Mías y del Fresco. El que las quiera usar puede hacerlo, pero debe pedírnoslo amablemente. Pueden descargarlas, que son de bastante más resolución que la que se ve embebida en esta columna.