Resumen de Cosmic lighthouses at high redshift: intervening material in sight-lines towards grbs and qsos
Rubén Sánchez Ramírez
Pese al gran avance que durante las últimas décadas ha habido en nuestro entendimiento del Universo, todavía quedan innumerables cuestiones tanto teóricas como observacionales pendientes de respuesta. En este sentido, la reciente construcción de telescopios de 8-10 m, junto al desarrollo de nuevos y mejores detectores, nos han permitido observar el Universo de manera mucho más profunda o, lo que es lo mismo, observarlo cuando era mucho más joven.
En lo referente a la cosmología observacional, en las últimas décadas se han hecho cartografiados del cielo en los que se detectan galaxias muy lejanas, muy jóvenes o en proceso de formación. Gracias a ello, nuestra visión del Universo a gran escala y a grandes distancias ha mejorado significativamente, aunque todavía no hemos hecho más que arañar su superficie. Debido a las limitaciones instrumentales, los cartografiados celestes que permiten la detección de la emisión de luz de galaxias lejanas y el tratamiento estadístico de los datos no son suficientes para establecer las características del Universo cuando tenía menos de 1 Ga, ya que la luz que somos capaces de captar desde sitios tan remotos en el Cosmos se limita a las fuentes más luminosas que existieron, lo que nos dice muy poco acerca de lo que era “normal” en dicho periodo.
El uso de la espectroscopía de absorción significó una revolución para la cosmología observacional. Esta técnica aprovecha fuentes muy luminosas para su uso como “linternas” que alumbran el medio entre la fuente y la Tierra. Las propiedades de dicho medio las podemos inferir no por detectar su luz, sino a través de sus sombras. Dichas linternas fueron originalmente estrellas jóvenes y masivas, que nos permitieron estudiar nuestra propia Galaxia. Sin embargo, si lo que buscamos es salir de nuestro entorno más cercano, necesitamos en este caso no sólo linternas, sino potentes “faros” situados a grandes distancias.
Afortunadamente, nuestro Universo dista mucho de ser un lugar tranquilo y en él tienen lugar fenómenos, tanto permanentes como transitorios, lo suficientemente energéticos como para generar fuentes de radiación electromagnéticas lo suficientemente luminosas como para que actúen de “faros cósmicos” incluso desde el Universo más remoto. Los dos tipos de objetos que tradicionalmente se han venido usando como fuentes retroiluminadoras son los cuásares o QSOs, que son fuentes permanentes, y los estallidos de rayos gamma (GRBs), que pese a ser mucho más luminosos son eventos transitorios y por tanto sólo observables durante un breve periodo de tiempo.
Los GRBs son los fenómenos más violentos que se conocen en el Universo, y son en sí mismos fuentes con suficiente interés científico como para dedicar a ellos una parte de esta Tesis. Desde su descubrimiento casual durante la Guerra Fría, la naturaleza extrema de estos breves pero intensos estallidos de emisión gamma ha fascinado a los astrónomos. Al inicio, poco podía saberse de ellos con la instrumentación y los conocimientos de que entonces se disponía. No obstante, desde finales de los 80 comenzaron a sucederse una serie de trepidantes y apasionantes descubrimientos que culminaron con el descubrimiento de contrapartidas electromagnéticas (postluminiscencia) que seguían a las fulguraciones en gamma, y la determinación de su carácter cosmológico.
Actualmente se dispone de archivos observacionales y desarrollo teórico suficientes como para explicar la naturaleza de los GRBs. Dicho trabajo ha servido incluso para estudios cosmólogicos, como la construcción del diagrama de Hubble a alto corrimiento al rojo o redshift. Sin embargo, todavía siguen abiertas muchas cuestiones, tanto en la explicación de eventos atípicos, como en los detalles de los modelos que consiguen explicarlos tan sólo de un modo genérico.
En esta tesis se ha abordado, en una primera parte, el estudio multi-frecuencia de un evento que ejemplifica las limitaciones actuales en el conocimiento de la física de las postluminiscencias o afterglows asociados a GRBs. GRB110715A se detectó el 15 de julio de 2011 (el nombre de los GRBs se forma a partir de la fecha del evento) y su evolución fue seguida desde múltiples observatorios, tanto espaciales como terrestres y en longitudes de onda desde radio hasta rayos gamma. Además de su extenso seguimiento, este GRB tiene la particularidad de ser el primer afterglow observado con las antenas del observatorio ALMA.
El análisis y modelado de los datos obtenidos para este GRB nos ha revelado detalles tanto de los procesos físicos que tienen lugar en la emisión del afterglow, como de la galaxia que albergó un evento de semejante violencia. En nuestro trabajo se muestra que las observaciones son consistentes con el modelo de bola de fuego, comúnmente aceptado. En él un chorro o jet ultra-relativista, producido durante la formación de un agujero negro en el núcleo de una estrella super-masiva, produce radiación sincrotrón al chocar con el medio circundante. Sin embargo, no ha sido posible ajustar los parámetros de dicho modelo para obtener un ajuste estadísticamente válido capaz de explicar todas las fluctuaciones de luz observadas en las diversas bandas. Esto indica que es necesaria la inclusión de más procesos físicos y/o la modificación de los existentes para explicar observaciones con este nivel tan alto de cobertura espectral y temporal. Por otro lado, hemos podido inferir detalles de la galaxia anfitriona mediante espectroscopía de absorción usando el brillo del afterglow como faro cósmico. Los detalles estudiados son imposibles de extraer mediante la observación directa de la galaxia, ya que es sólo detectable al límite de la capacidad de los mayores telescopios de los que actualmente disponemos. Nuestras observaciones del espectro de líneas de absorción nos indican que se trata de una galaxia enana con un fondo de radiación ionizante más bajo de lo que normalmente se observa en otras galaxias en las que ha sucedido un GRB.
En la segunda parte de esta tesis se estudian tres GRBs, cuyo nexo de unión es que se produjeron a un redshift z>5 (cuando el Universo tenía poco más de 1 Ga). Por tanto, estos eventos han supuesto una oportunidad única para el estudio del medio interestelar e intergaláctico hasta los límites del Universo observable, y abordar cuestiones fundamentales como la evolución química o el proceso de reionización del Universo.
GRB140304A ocurrió en una galaxia a z5.3. A partir del espectro óptico se detectó una gran absorción de hidrógeno, asociada a lo que se conoce como sistemas DLA (del inglés Damped Lyman-alpha, o Lyman-alpha amortiguado), siendo este caso el tercero más lejano actualmente conocido en las líneas de visión hacia GRBs. La detección de líneas metálicas en dicho sistema ha permitido estimar la metalicidad de manera suficientemente robusta como para descartar un contenido en metales atípicamente bajo, lo que marcaría la observación de la esperada evolución del contenido de metales hacia un ambiente pobre, en los cuales se espera encontrar estrellas de la llamada Población III, que fueron las primeras formadas tras el periodo de recombinación en el Universo primitivo.
El descubrimiento de GRB130606A y su subDLA a \z$\sim$5.9 permitió establecer de nuevo una metalicidad consistente con los valores encontrados a distancias menores, aunque hay que tener en cuenta que habitualmente se observa un contenido en metales mayor en subDLAs que en DLAs. A longitudes de onda menores que la de la absorción de hidrógeno por parte de la galaxia anfitriona del GRB, se observa la fuerte absorción del medio intergaláctico debido al efecto Gunn-Peterson, ya que en esa época el medio intergaláctico terminaba de reionizarse. Gracias a ello se ha podido constatar que las medidas de la profundidad óptica son consistentes con las obtenidas mediante las líneas de visión a QSOs, las cuales son mucho más imprecisas que las obtenidas en este trabajo.
Por último, la observación de GRB140515A a z6.3 ha significado la primera oportunidad para medir la fracción de hidrógeno neutro en el medio intergaláctico cuando la absorción G-P satura. Ello ha sido posible dada la baja columna de densidad de hidrógeno neutro de la galaxia anfitriona, lo que se traduce en la observación directa de un perfil de absorción debido fundamentalmente al medio intergaláctico. Esta medida también ha permitido, por primera vez, determinar la fracción de hidrógeno neutro del medio intergaláctico a un redshift crítico para constreñir los modelos actuales de reionización del Universo.
Por tanto, en esta parte de la tesis hemos probado la utilidad de los GRBs como sondas cosmológicas a muy alto redshift, aprovechando su luminosidad y la facilidad de modelado de su emisión. También se ha mostrado la necesidad de continuar observando estos eventos para poder incrementar nuestro conocimiento acerca de las primeras etapas del Universo, ya que este método es mucho más prometedor que el uso de los QSOs porque estas fuentes decrecen rápidamente en número a dichas distancias y los GRBs pueden incluso tener como progenitores estrellas de población III.
En la última parte de esta tesis se ha utilizado una muestra de 100 QSOs, además de datos de la literatura, para abordar un problema cosmológico clásico, como es la evolución del hidrógeno neutro a lo largo del tiempo cósmico. En 1986 se llevó a cabo el primer survey de DLAs. Estos sistemas, detectados en absorción en la línea de visión hacia QSOs (y GRBs, como se ha mencionado), contienen la mayor parte del hidrógeno neutro del Universo. La importancia de ello radica en que a partir de estas nubes se desencadenan los procesos de formación estelar, y por tanto están íntimamente ligados a la evolución de las galaxias. Desde principios de los 90 se obtuvieron más observaciones y se analizaron conjuntamente para inferir propiedades medias a escalas cosmológicas. La validez de dichos resultados reside en el hecho de que en líneas de visión hacia QSOs, los DLAs se detectan como sistemas intervinientes, es decir, su frecuencia no está sesgada como en el caso de los DLA en las galaxias anfitrionas de GRBs. En esta tesis se ha analizado una muestra conjunta de DLAs visualmente identificados en los espectros, y se ha hecho un análisis detallado desarrollando nuevas técnicas y detectando y cuantificando fuentes de errores sistemáticos y estadísticos. Por primera vez se ha proporcionado una evidencia estadística robusta y justificada de una pequeña evolución de la cantidad de hidrógeno neutro desde z=0 a z~5 en un factor ~4.
Los estudios aquí descritos sientan las bases y profundizan en las técnicas que permiten avanzar en el estudio del Universo temprano, utilizando como faros cósmicos las dos familias de objetos más luminosos que conocemos, los QSO y los GRBs.
