Astrofísica extragaláctica

Investigadores

  • Patricia Arévalo: Núcleos activos de galaxias, acreción de agujeros negros, cúmulos de galaxias.
  • Graeme Candlish: Cosmología, gravitación, evolución de galaxias, simulaciones numéricas
  • Eduardo Ibar: Cosmología observacional, formación y evolución de galaxias, núcleos activos de galaxias, interferometría en radio y submilimétrico
  • Yara Jaffé: Comprensión de la formación y evolución de las galaxias como una función del tiempo cósmico y el medio ambiente.
  • Verónica Motta: Cosmología, lentes gravitacionales, galaxias lentes y galaxias con alto corrimiento al rojo (redshift alto).

Áreas de investigación

Lentes Gravitacionales

Existen muy pocas áreas de la investigación astronómica que, en las últimas décadas, se hayan desarrollado tan rápido como lo ha hecho el área de las lentes gravitatorias. Éstas se han convertido en una herramienta astrofísica de gran ayuda en variadas líneas de investigación, incluyendo: la escala de distancia cosmológica, la estructura cósmica de la materia a gran escala, la masa y su distribución en cúmulos de galaxias, la física de los cuásares y galaxias a alto redshift, la materia oscura en halos de galaxias, entre otras.

Una lente gravitatoria se produce cuando la luz de una fuente distante (por ejemplo un cuásar o una galaxia) es desviada por un objeto masivo (por ejemplo una galaxia o cúmulo de galaxias) que se interpone entre la fuente y el observador. Este efecto hace que la luz de la fuente distante se magnifique y se extienda, permitiendo así una mayor facilidad para su detección y un incremento en el brillo observado. Las lentes gravitatorias se clasifican en tres clases: (a) lente-fuerte: aquella que produce anillos, arcos e imágenes múltiples (con separaciones entre imágenes abarcan desde unos 0.3 a 30 segundos de arco); (b) lente-débil: aquella que produce pequeñas distorsiones de los objetos distantes, se observa estadísticamente en las partes externas de objetos masivos como grupos y cúmulos de galaxias; y (c) micro-lente: aquella que produce micro-imágenes de mili-arcosegundos de separación y se manifiesta por un aumento (o disminución) del brillo de la fuente como función del tiempo.

Para el desarrollo de esta ciencia, nuestro grupo de investigación está involucrado en proyectos que cubren los siguientes aspectos de lentes gravitatorias:

  • Efecto lente-fuerte en muestras de H-ATLAS y HerMES observado con el telescopio ALMA a longitudes de onda sub-milimétrica y por los telescopios JVLA, eMERLIN y EVN en radio,
  • Efecto lente-fuerte producido por cúmulos de galaxias identificadas en imágenes y espectros tomados con los telescopios Gemini y Hubble Space Telescope,
  • Efecto lente-fuerte y lente-débil usando grupos de galaxias identificados en datos del survey SL2S tomados por el telescopio CFHT, y espectros tomados con el telescopio VLT,
  • Eventos microlente galáctico producido por objetos compactos (e.g. agujeros negros, estrellas, planetas) sobre estrellas de fondo del bulbo galáctico usando datos del survey VVV (tomado con el telescopio VISTA),
  • Efecto microlente extragaláctico producido por objetos compactos (e.g. estrellas, subestructura de materia oscura) en los halos de galaxias lente, usando espectros tomados por los telescopiosVLT, MMT y WHT.
  • STRong-lensing Insights into the Dark Energy Survey (STRIDES) realiza una búsqueda de nuevos sistemas cuásares lente para utilizar en aplicaciones cosmológicas (evoución de galaxias elípticas, contenido de materia oscura).
  • COSmological MOnitoring of GRAvItational Lenses (COSMOGRAIL) tiene como objetivo medir el retraso temporal para la mayoría de los sistemas cuásares lente conocidos (incluyendo los recientemente descubiertos por  STRIDES).

Núcleos Galácticos Activos

Los Núcleos Activos de Galaxias (AGN) liberan grandes cantidades de energía a partir de la acreción de material interestelar sobre el agujero negro supermasivo que reside en el centro de casi todas las galaxias. Cuando los agujeros negros están en esta fase de crecimiento pueden liberar tanta energía y transmitir tanto momentum que afectan la estructura de regiones grandes de su galaxia huésped e incluso fuera de la galaxia, en el material dentro del cúmulo de galaxias a pesar de que el motor central del AGN es comparativamente pequeñísimo. El proceso de acrecimiento es tan eficiente en transformar la energía gravitacional en radiación que el disco de acrecimiento en torno al agujero negro llega a brillar intensamente en un gran rango de longitudes de onda. Este disco, junto con las demás estructuras del AGN — jet, corona de rayos X y toro molecular— emiten o reemiten en casi todo el rango de longitudes de onda observables. A excepción del jet, todas las estructuras del AGN son tan pequeñas que no pueden ser resueltas en una imagen, por lo que el proceso de acrecimiento debe estudiarse indirectamente a través del espectro y la variabilidad de flujo de estos objetos.

En la UV estudiamos los AGN observacionalmente a través de datos espectrales y curvas de luz en bandas desde el infra-rojo hasta los rayos X, para determinar el comportamiento del motor central del AGN y la relación entre sus diferentes componentes. En particular, rastreamos las fluctuaciones de brillo en las bandas óptica y NIR de varios AGN para estudiar cómo la ubicación del polvo más caliente alrededor del AGN depende de la luminosidad de éste. Este estudio se puede ampliar en un futuro próximo para complementar los próximos monitoreos temporales en el óptico, como LSST y SDSS-V. También estudiamos la dependencia del tamaño y composición del toro con la luminosidad, al modelar el espectro reflejado en la banda de rayos X, para un amplio rango de tasas de acreción, y la forma de la emisión continua en sí misma, para rastrear a qué tasa de acreción el emisor principal de rayos X pasa de ser la corona a un jet. En escalas espaciales mucho mayores, estudiamos en detalle cómo el AGN puede afectar su entorno en los cúmulos de galaxias, específicamente por qué mecanismo los jets del AGN pueden traspasar energía al medio intra-cúmulo que emite en rayos X. Estas líneas de investigación están respaldadas por la beca grupal Anillo de Conicyt “Formación y Crecimiento de Agujeros Negros Supermasivos” y un Partner Group con el Instituto Max-Planck de Astrofísica en Garching, Alemania.

Formación y Evolución de Galaxias

Uno de los grandes desafíos de la astrofísica moderna es entender cómo las galaxias se forman y evolucionan como función del tiempo cosmológico (z, redshift). Modelos teóricos de última generación atacan este problema asumiendo 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 modelo está gobernado por una serie de ecuaciones diferenciales las cuales pueden ser calculadas y solucionadas computacionalmente por modernos clusters de computadores. Sin embargo, a escalas de galaxias la evolución está controlada por procesos no-lineales y disipativos que son complejos e impredecibles por la teoría. Es en este punto donde observaciones de distintos tipos de galaxias, y cúmulos de galaxias, a distintos redshifts, se convierten en un ingrediente esencial para alimentar modelos semi-analíticos para la formación y evolución de galaxias.

Durante la última década se ha generado un avance significativo en el estudio de la formación de galaxias, principalmente por observaciones profundas tomadas por telescopios en el óptico y en el infra-rojo cercano. Aunque la historia cósmica de la tasa de formación estelar y el crecimiento de la masa estelar han sido bien cuantificadas como función de la masa en galaxias y el ambiente (desde el Universo Local hasta la época de reionización, z > 6), los mecanismos que regulan esa evolución y que generan la variedad de clases morfológicas observadas están lejos de ser comprendidos. Este increíble progreso está también limitado por procesos radiativos a longitudes de onda que solo detectan la emisión estelar y el gas ionizado, los cuales están plagados de interrogantes en la forma en que los fotones son reprocesados por el gas y el polvo. Estudios a longitudes de onda de centímetros y sub-milimétrico se requieren para probar las primeras etapas de formación estelar, oscurecida por polvo, para revelar el gas frío que constituye el alimento para la formación estelar en galaxias.

También han habido avances significativos en la comprensión de la evolución de las galaxias desde alto redshift hasta ahora. Las investigaciones más reciente muestran que el cese de la formación estelar es impulsado por la masa y el entorno de las galaxias. El primer efecto se relaciona con procesos internos como la actividad nuclear del agujero negro supermasivo, mientras que para el último, se han propuesto varios mecanismos, entre los cuales destaca la presión de “ram” que ejercido por el medio intra-cumular, y las interacciones gravitacionales entre galaxias.

Nuestro grupo de investigación ha desarrollado varias campañas para caracterizar la formación y evolución de galaxias como función del redshift, masa y entorno cósmico. Durante estos días, las colaboraciones más destacadas en las que estamos involucrados, son las siguientes:

  • Observaciones con ALMA (e.g. VALES at z<0.35) para caracterizar el gas frío y el polvo en galaxias identificadas previamente por el Herschel Space Observatory (tomadas de H-ATLAS y HerMES)
  • Observaciones a la misma resolución (a sub-arcosegundos) con VLT IFU y ALMA de galaxias “normales” a alto redshift identificadas en Halpha, cerca del peak de la densidad de tasa de formación estelar cósmica (e.g. tomadas de la muestra HiZELS y KGES),
  • Observaciones con ALMA para obtener mapas amplios y profundos, en continuo y espectrales, a longitudes de onda submilimétrica de campos previamente observados por el telescopio espacial Hubble, incluyendo los campos de HUDF y los Frontier Fields,
  • El sondeo “Gas Stripping Phenomena in galaxies” (GASP) de galaxias “medusa” con el instrumento MUSE/VLT, que ha colectado datos para 114 galaxias seleccionadas del sondeo de cúmulos de galaxias WINGS.
  • El sondeo “Blind Ultra Deep HI Environmental Survey” (BUDHIES) del gas frío en galaxias en cúmulos a  z~0.2.

Simulaciones

Las simulaciones numéricas se han desarrollado 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 materia oscura en nuestro Universo, así como la interacción compleja de esta formación de estructuras con los procesos astrofísicos que afectan lo visible. Material (bariónico) en nuestro Universo (formación estelar, supernovas, retroalimentación AGN). Dichas 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 débiles y fuertes, y otros observables.

Además, las simulaciones brindan una oportunidad única para investigar las consecuencias de las teorías que intentan explicar el misterioso sector oscuro de nuestro Universo (materia oscura y energía oscura). Un ejemplo es el paradigma de la dinámica newtoniana modificada (MOND, por sus siglos en inglés) que intenta explicar los aspectos fenomenológicos de la materia oscura por medio de una modificación de la fuerza gravitacional newtoniana. Las consecuencias de tal modificación son profundas e impactarían todos los aspectos de la evolución de nuestro Universo, desde la cosmología hasta la formación y evolución de galaxias. Muchos investigadores han propuesto modelos alternativos para explicar la energía oscura, incluidas las modificaciones de la teoría de la gravedad de Einstein, la Relatividad General, así como la inclusión de nuevos componentes de materia / energía, como un campo escalar denominado “quintaesencia”. Finalmente, puede haber interacciones dentro del sector oscuro que unan la materia oscura y la energía oscura, dando lugar a otras consecuencias fenomenológicas interesantes, que pueden examinarse en simulaciones y compararse con observaciones.

Las simulaciones numéricas son una adición bastante reciente al grupo extragaláctico en IFA, sin embargo, hay varias líneas de investigación para investigar modelos cosmológicos no estándar:

  • Investigaciones numéricas de MOND: el Dr. Graeme Candlish ha investigado las consecuencias de MOND en las galaxias utilizando el código RAyMOND desarrollado por él en colaboración con investigadores de la Universidad de Concepción, Chile y KASI, Corea.
  • Las consecuencias de MOND para la evolución de las galaxias: las galaxias en ambientes densos estarían sujetas a un efecto MOND conocido como el “efecto de campo externo” que no tiene contrapartida en la gravedad newtoniana. Varios miembros de nuestro grupo (el Dr. Graeme Candlish, el Dr. Yara Jaffé) en colaboración con investigadores de la Universidade de Sao Paulo y KASI, Corea, han investigado las consecuencias de este efecto en las galaxias dentro de grupos.
  • Cosmología en MOND: aún no existe una teoría completa de una cosmología MOND, por lo que uno de nuestros proyectos consiste en la búsqueda de un posible modelo cosmológico MOND completo, que luego se pueda utilizar para construir una simulación cosmológica MOND totalmente coherente.
  • Acoplamientos de energía oscura / materia oscura: como se dijo anteriormente, es totalmente 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.