Investigadores

• Dra. Patricia Arévalo: Núcleos activos de galaxia, acreción de agujeros negros.
• Dr. Cristian Barrera: Cosmología, efectos relativistas en la estructura a gran escala, gravitación, modelos modificados de gravedad y energía oscura, simulaciones numéricas.
• Dr. Graeme Candlish: Cosmología, gravitación, evolución de galaxias, simulaciones numéricas.
• Dr. Eduardo Ibar: Cosmología observacional, formación y evolución de galaxias, núcleos activos de galaxias,  interferometría en radio y submilimétrico.
• Dr. Juan Molina: Formación y evolución de galaxias. Dinámica de galaxias. Galaxias huésped de núcleo activo.
• Dra. Verónica Motta: Cosmología, lentes gravitacionales, lentes galácticos y galaxias de alto corrimiento al rojo.

Áreas de Investigación

Lentes Gravitacionales  [Contacto: Verónica Motta]

Una lente gravitatoria se produce cuando la luz de una fuente distante es desviada por un objeto masivo (por ejemplo, una galaxia o un cúmulo de galaxias) que se encuentra en la línea de visión del observador. Hay tres propiedades que hacen que las lentes gravitatorias sean una herramienta extremadamente útil en una amplia variedad de campos de investigación. Primero, los observables (por ejemplo, las posiciones relativas entre imágenes múltiples, relaciones de flujo y retrasos temporales) dependen del potencial gravitatorio de la lente (galaxia o cúmulo de galaxias) y de sus derivadas. En segundo lugar, esos observables también dependen de la geometría general del Universo a través de la distancia diámetro angular entre el observador, la lente y la fuente. En tercer lugar, las fuentes aparecen magnificadas, a veces en más de un orden de magnitud.

Por lo tanto, las lentes gravitatorias pueden usarse para resolver tres problemas astrofísicos importantes: (a) comprender la distribución espacial de la masa en galaxias a escalas de kiloparsecs y subkiloparsecs; (b) determinar la forma, el contenido y la cinemática generales del Universo; y (c) estudiar la estructura de galaxias, agujeros negros y núcleos activos de galaxias que son demasiado pequeños o demasiado débiles para ser resueltos o detectados por los instrumentos actuales.

Durante estos días, nuestro grupo se centra en los siguientes problemas astrofísicos y participa en las siguientes colaboraciones:

• Vista Variables in the Vía Láctea eXtended (VVVX) seguimiento de imágenes en el infrarrojo cercano dedicado a investigar el centro de nuestra galaxia. La detección de microlentes en estrellas del bulbo de nuestra galaxia nos permite inferir la masa de la lente (agujeros negros, estrellas enanas, planetas) que de otro modo serían indetectables.
• Time Delay Cosmography (TDCosmo) consta de cinco proyectos dedicados a la medición de alta precisión de la constante de Hubble utilizando mediciones de retardo de tiempo en quásares con lentes. El proyecto combina dos anteriores consistentes en la búsqueda de nuevas lentes (STRong-lensing Insights into the Dark Energy Survey, STRIDES) y el seguimiento de campañas de imágenes de banda ancha (COSmological MOnitoring of GRAvItational Lenses, COSMOGRAIL). Se producen modelos de lentes de alta precisión a partir de imágenes tomadas con HST y JWST.
• Imágenes de ALMA de alta resolución de galaxias brillantes submilimétricas y con efecto lente intenso se utilizan para revelar las propiedades del medio interestelar frío y escalas internas inferiores a un kiloparsec. La mayoría de las muestras de galaxias son parte de detecciones previas con una sola antena a baja resolución.
• VLT/4MOST CHIleAN Cluster galaxy Evolution Survey (CHANCES) seguimiento espectroscópico dedicado a estudiar la evolución de galaxias en alrededor de 150 cúmulos de galaxias. Se utilizará el efecto lente fuerte y débil para investigar la composición de la lente, así como la estructura de las fuentes de fondo.
• VLT/4MOST Chilean AGN/Galaxy Evolution Survey (ChANGES) seguimiento espectroscópico dedicado a estudiar una gran muestra de AGN para delimitar su estructura. Se utilizará microlente en cuásares con lentes para investigar la estructura del disco de acreción.

Los proyectos actuales que financian nuestra investigación incluyen el Millenium Institute of Astrophysics (MAS) y un proyecto de investigación personal Fondecyt Regular, ambos financiados por la Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo (ANID).

Núcleos Activos de Galaxias [Contacto: Patricia Arévalo] 

Estudiamos el flujo de acreción que alimenta el agujero negro supermasivo central en los Núcleos Galácticos Activos (AGN). Como este disco de acreción es muy pequeño, lo estudiamos indirectamente, a través de la información codificada en la variabilidad de la luz emitida, principalmente en las bandas ópticas. Últimamente hemos explotado los fantásticos y masivos conjuntos de datos de variabilidad proporcionados por el Zwicky Transient Facility para estudiar el comportamiento de los AGN con una precisión sin precedentes. Combinado con el clasificador de aprendizaje automático ALeRCE estamos encontrando nuevas poblaciones de AGN y eventos interesantes, como AGN que cambian de estado de tipo II a tipo I, AGN recién nacidos, eventos de disrupción de marea e incluso eventos transitorios más exóticos en los núcleos de las galaxias. Algunas de las publicaciones recientes de nuestro grupo se enumeran aquí.

También utilizamos otros estudios y datos propios para delimitar el disco de acreción y su conexión con la corona de rayos X, el toro de polvo y el chorro relativista. Consulte algunos de nuestros artículos aquí.

Un buen punto de partida para estudiar la variabilidad de los AGN es observar la emisión de rayos X, que varía con mayor intensidad. Los rayos X en los AGN silenciosos en radio son producidos por una denominada corona de electrones calientes que puede relacionarse con el flujo de acreción. A continuación, se muestran algunos de los artículos de nuestro grupo que utilizan las propiedades de variabilidad, a veces combinadas con estudios espectroscópicos, para limitar el comportamiento de la corona de rayos X.

La emisión de rayos X puede penetrar grandes densidades de columnas de polvo y gas, por lo que puede revelar la actividad de los AGN incluso en AGN enterrados muy profundamente. Usamos este hecho para encontrar y estudiar AGN oscurecidos e incluso rastrear la reflexión de los rayos X sobre el gas circundante para limitar su distribución alrededor de los agujeros negros supermasivos.

Finalmente, los AGN en los cúmulos de galaxias pueden afectar al gas caliente que llena estas estructuras, en escalas espaciales muy grandes. La huella de esta retroalimentación de los AGN se puede rastrear en las perturbaciones de la emisión de rayos X del medio intracúmulo. Aunque no es nuestro tema principal de investigación en la actualidad, aquí se pueden encontrar algunos trabajos más antiguos.

Para el tema mencionado anteriormente, desarrollamos el filtro Sombrero Mexicano para extraer el patrón de perturbaciones en imágenes con bordes afilados y agujeros irregulares producidos por estrellas enmascaradas en primer plano. Este método también se puede aplicar en 1 o 3 dimensiones, y ahora se ha vuelto extremadamente útil para estimar el espectro de potencia de las curvas de luz ópticas, en particular las producidas por el ZTF, que inevitablemente se ven afectadas por brechas anuales y muestreo irregular. Este método es muy rápido de calcular y es utilizado por el clasificador de curvas de luz ALeRCE. Proporciona una de las características clave que, por ejemplo, distingue a los AGN de las estrellas variables de período largo. También lo hemos utilizado en artículos recientes para caracterizar la variabilidad óptica de miles de AGN.

Los proyectos actuales que financian la investigación de AGN incluyen el Núcleo Milenio TITANS, el Instituto Milenio de Astrofísica y una beca de investigación personal Fondecyt Regular, todos apoyados por la Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo, ANID, Chile.

Formación y evolución de Galaxias [Contacto: Eduardo Ibar]

Entender cómo se forman y evolucionan las galaxias en función del tiempo cosmológico (z, corrimiento al rojo) es un objetivo clave en la astrofísica moderna. Los modelos teóricos estándar abordan este problema en un marco que asume una cosmología Lambda-CDM, donde el crecimiento gravitacional jerárquico de los halos de materia oscura trazan la estructura a gran escala de la materia bariónica observada. Este marco está regido por un conjunto de ecuaciones diferenciales que pueden ser resueltas computacionalmente por potentes computadoras modernas. Sin embargo, a escalas galácticas, la evolución está impulsada por procesos disipativos no lineales mucho más complejos de lo que la teoría podría predecir. Es en este punto donde las observaciones de diferentes tipos de galaxias y cúmulos de galaxias,a distintas distancias, se convierten en un ingrediente esencial para alimentar modelos semianalíticos de formación y evolución de galaxias.

Se han logrado avances notables en el estudio de la formación de galaxias durante la última década, principalmente a través de observaciones ópticas profundas y de infrarrojo cercano. Aunque la historia cósmica de la formación de estrellas y la acumulación de masa estelar se han cuantificado bien en función de la masa y el entorno de las galaxias, a través de su máximo observado a z ∼ 2 y su decremento acercándose a la reionización cósmica (z > 6), los mecanismos que dan forma a dicha evolución y generan la variedad de clases morfológicas que observamos en el Universo local están lejos de estar completamente entendidos. Si bien el progreso ha sido impresionante, los estudios ópticos de la formación de galaxias se limitan a la emisión de gas estelar e ionizado, y están plagados de incertidumbres en la forma en que los fotones son reprocesados por las partículas de gas y polvo. Se requieren estudios en longitudes de onda submilimétricas para investigar profundamente las fases más tempranas y oscurecidas por el polvo de la formación de galaxias, para revelar el gas frío que constituye el combustible para la formación de estrellas en las galaxias.

Para comprender la evolución de las galaxias, es necesario abordar los mecanismos físicos que podrían detener su formación estelar. Nuestro grupo de investigación ha llevado a cabo varias campañas para caracterizar la formación y evolución de galaxias en función del corrimiento al rojo, la masa y el entorno cósmico. Actualmente, las colaboraciones más destacadas en las que estamos involucrados son:

• Hemos desarrollado campañas de seguimiento de ALMA para caracterizar el gas frío y el polvo de galaxias seleccionadas de los mayores sondeos extragalácticos realizados por el Observatorio Espacial Herschel, H-ATLAS y HerMES. Estas campañas se denominan VALES, un sondeo de galaxias de secuencia principal y con brotes de formación estelar hasta z<0.35.
• El sondeo de líneas de emisión del JWST (JELS) está identificando cientos de galaxias formadoras de estrellas en un área de casi 60 arcmin2 en el campo COSMOS, anteriormente cubierto por el sondeo PRIMER. Somos parte de JELS y nuestra investigación se centra (principalmente) en las propiedades de la población Paschen-alpha en z~1,5. También tenemos un gran programa aprobado por MUSE para revelar los espectros ópticos sobre la misma área.
• Observaciones de ALMA para obtener imágenes submilimétricas de amplio campo profundo y espectroscopia en campos previamente observados por el Telescopio Espacial Hubble, incluyendo el HUDF y los Frontier Fields.
• VLT/4MOST CHileAN Cluster galaxy Evolution Survey (CHANCES) es un sondeo espectroscópico para obtener cientos de miles de espectros ópticos y está dedicado a abordar la evolución de las galaxias en las afueras de casi 150 cúmulos. Las propiedades estadísticas de las galaxias que forman parte de estas grandes estructuras están actualmente bajo investigación en longitudes de onda de radio y submilimétricas.

Para desarrollar estas áreas de investigación, contamos con financiamiento disponible, incluyendo el Núcleo Milenio de Galaxias (MINGAL) y una beca personal Fondecyt Regular, todos apoyados por la Agencia Nacional de Investigación y Desarrollo, ANID, Chile.

Simulaciones númericas cosmológicas  [Contacto: Cristian Barrera; Graeme Candlish]

Las simulaciones numéricas se han convertido en las últimas décadas en una herramienta crucial para la física, la astrofísica y la cosmología. En particular, las simulaciones numéricas ofrecen la única posibilidad de investigar el proceso no lineal de formación de estructuras debido a la inestabilidad gravitacional en la distribución de la materia oscura en nuestro Universo, así como la compleja interacción de esta formación de estructuras con los procesos astrofísicos que afectan al material visible (bariónico) en nuestro Universo (formación de estrellas, supernovas, AGN feedback). Estas simulaciones proporcionan las predicciones teóricas de nuestro modelo cosmológico estándar, que luego pueden compararse con la amplia gama de datos disponibles sobre agrupamiento de galaxias, evolución de galaxias, lentes gravitacionales débiles y fuertes y otros observables.

Además, las simulaciones brindan una oportunidad única para investigar las consecuencias de las teorías que intentan explicar el todavía misterioso sector oscuro de nuestro Universo (materia oscura y energía oscura). Un ejemplo es el paradigma de la Dinámica Newtoniana MOdificada (MOND, por sus siglas en inglés), que intenta explicar los aspectos fenomenológicos de la materia oscura mediante una modificación de la fuerza gravitacional newtoniana. Las consecuencias de dicha modificación son profundas y afectarían todos los aspectos de la evolución de nuestro universo, desde la cosmología hasta la formación y evolución de las galaxias. Muchos investigadores han propuesto modelos alternativos para explicar la energía oscura, incluidas modificaciones de la teoría de la gravedad de Einstein (relatividad general) y la inclusión de nuevos componentes de materia/energía, como un campo escalar denominado “quintaesencia”. Finalmente, puede haber interacciones dentro del sector oscuro que unan tanto la materia oscura como la energía oscura, dando lugar a otras consecuencias fenomenológicas interesantes que pueden examinarse en simulaciones y compararse con las observaciones. Las simulaciones numéricas son una incorporación bastante reciente al grupo extragaláctico del IFA, aunque existen varias líneas de investigación para investigar modelos cosmológicos no estándar:

• Investigaciones numéricas de la formación de estructuras cosmológicas: el Dr. Graeme Candlish y el Dr. Cristian Barrera trabajan en simulaciones cosmológicas de N cuerpos para estudiar la formación de la estructura en nuestro Universo, centrándose principalmente en la distribución de la materia oscura y considerando correcciones relativistas a la interacción gravitacional, así como teorías de gravedad modificadas.
• Gravedad semiclásica: el Dr. Graeme Candlish está trabajando actualmente en estudios numéricos de gravedad semiclásica, donde el contenido de materia del Universo se trata de manera mecánica cuántica mientras que el espacio-tiempo se trata de manera clásica, como en la Relatividad General. Dichos estudios apuntan a cuantificar el efecto de “back-reaction” de la dinámica cuántica en un espacio-tiempo en evolución, lo cual es relevante para el Universo muy temprano, la formación de agujeros negros y puede tener potenciales consecuencias para la evolución tardía del Universo.
• Acoplamientos de energía oscura/materia oscura: como se dijo anteriormente, es completamente posible que el sector oscuro contenga sorpresas ocultas que esperan ser descubiertas. En este proyecto, estamos investigando las posibles consecuencias cosmológicas de diferentes tipos de acoplamientos entre la energía oscura y la materia oscura y sus posibles impactos a escalas más pequeñas.

Cinemática y dinámica de galaxias  [Contacto: Juan Molina]

El estudio de la cinemática y la dinámica de las galaxias siempre ha estado en el centro de la investigación extragaláctica en la astronomía moderna. Durante el último siglo, se han hecho muchos esfuerzos para entender cómo se mueven las componentes de las galaxias en distintos tipos de galaxias: un trabajo de larga data que culminó con el descubrimiento de las curvas de rotación galácticas planas y la existencia de la materia oscura. Hoy en día, con el arribo de técnicas de espectroscopía de campo integral (IFS) y de interferómetros muy sensibles como ALMA, el mapeo de los movimientos del gas y las estrellas dentro de las galaxias es rutinario. La unidad de campo integral (IFU) NIRSpec del JWST está revolucionando nuestra comprensión de las galaxias jóvenes y de los procesos físicos que dieron forma a la evolución temprana de las galaxias. Todas las futuras instalaciones, como el Telescopio Extremely Large Telescope (ELT) y el Telescopio Giant Magellan (GMT), han incorporado IFUs en su diseño para estudiar la cinemática y dinámica de las galaxias con un detalle excepcional.

Usando instrumentos IFU como MEGARA, MUSE y NIRSpec-IFU, junto con ALMA, nuestra investigación se centra principalmente en:

• Partiendo de una muestra de galaxias seleccionadas en el UV, somos parte de la colaboración ALPINE para estudiar el contenido de gas y polvo en galaxias a z~4.5–5.5. Nuestras publicaciones se pueden encontrar aquí. Actualmente estamos trabajando en campañas de seguimiento con JWST NIRSpec en una submuestra de galaxias, en colaboración con el equipo CRISTAL.
• Usando imágenes de VLT-IFU y ALMA a resolución de subarcosegundo estudiamos galaxias “normales” formadoras de estrellas que emiten H-alfa a z~2–3, la época en la cual la densidad de la tasa de formación estelar cósmica (de los estudios HiZELS y KGES) alcanza su máximo. También estamos estudiando el contenido total de gas molecular en estas galaxias.
• La retroalimentación ejercida por agujeros negros supermasivos en crecimiento es ampliamente aceptada como el mecanismo mediador de la coevolución entre el agujero negro y la galaxia huésped. También es un ingrediente clave en las simulaciones hidrodinámicas para reproducir el extremo masivo de la población de galaxias. Al utilizar IFUs y ALMA, podemos mapear las galaxias anfitrionas de núcleos galácticos activos (AGN) con un detalle sin precedentes. Nos enfocamos en estudiar cuásares, los más luminosos de las galaxias activas, para caracterizar los outflows multifase de gas impulsados por el AGN, y su interacción con el medio interestelar circundante.
• Uno de los principales procesos que modelan el medio interestelar (ISM) de las galaxias es la actividad de formación estelar en curso. Las galaxias tipo starburst ofrecen laboratorios ideales para estudiar los mecanismos físicos que controlan las propiedades del ISM debido a su intensa formación estelar. En algunos modelos del ISM, las estrellas jóvenes masivas se convierten rápidamente en supernovas, inyectando cantidades considerables de energía en sus alrededores del ISM. Esta energía se acopla al ISM y contrarresta el colapso gravitacional del gas, controlando así la eficiencia con la que ocurre la formación estelar. En este proyecto, combinamos datos de IFU y ALMA de alta resolución para probar modelos del ISM y entender los procesos que impulsan la formación estelar.