La nebulosa de Orión vista por el Hubble. Créditos: NASA, ESA, M. Robberto (STScI/ESA) et al.

La piel de Orión

Un equipo de investigadores, liderado por Javier R. Goicoechea (ICMM-CSIC), cartografía Orión gracias a la emisión del carbono ionizado, una de las emisiones más brillantes del medio interestelar

El telescopio espacial Herschel ha revolucionado nuestro conocimiento sobre la morfología de las nubes de gas molecular y polvo donde se forman las estrellas. Imágenes fotométricas de la emisión del polvo, obtenidas en el infrarrojo lejano, han revelado espectaculares redes de estructuras con filamentos en los lugares donde nacen las estrellas. Las más jóvenes y masivas (con más de 8 masas solares) liberan fuertes vientos y grandes cantidades de energía en forma de radiación ultravioleta cuando todavía están rodeadas por su nube parental. Literalmente, los hijos crecen “comiéndose” el medio que los ve nacer.

Los procesos relacionados con la formación de estrellas masivas influyen notablemente en el medio interestelar, dando forma y modificando drásticamente las nubes moleculares donde nacen las estrellas: calentando el polvo y el gas que las compone, creando pilares, excavando cavidades y dando lugar a las más variadas estructuras geométricas. Sin embargo, mientras que las imágenes fotométricas (de un solo color o longitud de onda) proporcionan una “instantánea” del impacto que tiene la formación de estrellas masivas sobre el conjunto de la nube, para conocer todos los detalles y poder entender su dinámica, es necesario estudiar la luz emitida por compuestos específicos del gas.

La técnica requerida se llama “espectroscopia de alta resolución” y permite dividir la luz con mucho detalle (más o menos dividir un color en un millón de partes), hasta el punto en que logra distinguirse la emisión de especies gaseosas individuales. Esta fue una funcionalidad única del instrumento HIFI (Heterodyne Instrument for the Far-Infrared), a bordo de Herschel, el telescopio más grande jamás lanzado al espacio.

El carbono, un elemento abundante y fundamental para comprender el universo

Los átomos de carbono de las nubes interestelares se ionizan fácilmente (se les arranca un electrón) por la acción de fotones ultravioleta (UV) emitidos por estrellas masivas cercanas. De ese modo, trazan la transición crítica de un medio completamente ionizado a un medio neutro donde pueden empezar a formarse moléculas. El carbono ionizado (C+) produce una emisión muy intensa en el infrarrojo lejano [1] que está libre de problemas de oscurecimiento de la luz (también llamada extinción, o absorción producida por pequeños granos de polvo). Al ser tan sensible a la radiación UV, estudiando la emisión de C+ se puede estimar indirectamente el ritmo al que la nube ha ido formando estrellas.

Además, en numerosas ocasiones esta es la emisión más brillante emitida por galaxias que están formando estrellas [2]. La emisión es tan intensa que puede ser detectada en galaxias muy lejanas del universo primitivo. Es un verdadero faro que nos permite estudiar las regiones de formación estelar y el ritmo al que se forman estrellas lejos de nuestra galaxia.

Paradójicamente, mientras que desde tierra resulta casi imposible detectar la emisión del carbono ionizado procedente de la Vía Láctea [3], la emisión se hace accesible a los observatorios terrestres submilimétricos como ALMA (Atacama Large Millimeter-submillimeter Array) para galaxias mucho más distantes, en las cuales la emisión de C+ se desplaza a longitudes de onda más largas [4].

De hecho, la emisión de carbono ionizado es ya el caballo de batalla de ALMA para sus estudios del universo primitivo. Es decir, ALMA será capaz de detectar C+ de forma rutinaria en una época en la que el universo tenía una edad entre 2 y 15 veces menor que la actual. Por desgracia, incluso para las galaxias más cercanas, hay muchos detalles sobre la emisión del carbono ionizado que los astrofísicos aún no terminan de comprender.

Tal vez, la incógnita más importante sea la del llamado “déficit” de luminosidad C+ en galaxias infrarrojas ultraluminosas cercanas, objetos muy masivos que albergan una intensísima formación estelar y, por tanto, están caracterizados por fuertes campos de radiación UV procedente de estrellas masivas. Lo que llama la atención es que, en estas “monstruosas” galaxias, la emisión del carbono ionizado representa sólo una pequeña fracción de la luminosidad total emitida en el infrarrojo lejano por el polvo interestelar (mucho menor que la procedente de galaxias “normales” como la Vía Láctea).

Composición en color de la nebulosa de Orión (M42) tomada en luz visible con el telescopio espacial Hubble (Robberto et al., 2013). La nube molecular de Orión, donde se desarrollan nuevas protoestrellas, se encuentra detrás de la nebulosa ionizada. Los contornos negros muestran la emisión de C+ en el infrarrojo lejano detectada con Herschel-HIFI, trazando la piel iluminada de la nube (Goicoechea et al., 2015).
Composición en color de la nebulosa de Orión (M42) tomada en luz visible con el telescopio espacial Hubble (Robberto et al., 2013). La nube molecular de Orión, donde se desarrollan nuevas protoestrellas, se encuentra detrás de la nebulosa ionizada. Los contornos negros muestran la emisión de C+ en el infrarrojo lejano detectada con Herschel-HIFI, trazando la piel iluminada de la nube (Goicoechea et al., 2015).

La nube molecular de Orión en tres dimensiones

La nube molecular de Orión 1 (OMC 1, de Orion Molecular Cloud) es la región de formación de estrellas masivas más cercana a nosotros [5] y se encuentra, desde nuestra perspectiva como observadores, detrás de la nebulosa de Orión, una magnífica y brillante nebulosa que puede observarse casi a simple vista, y que es, probablemente, la región de formación estelar más estudiada de la Vía Láctea.

Toda la región está expuesta al fuerte campo de radiación UV emitido por las estrellas jóvenes y masivas del famoso cúmulo del Trapecio [6]. OMC 1 es, por tanto, utilizada por los investigadores como un laboratorio para estudiar la emisión de C+ en condiciones de irradiación UV, quizás semejantes a las que se dan en las galaxias que forman estrellas masivas de forma muy vigorosa. La radiación UV de estas estrellas está, literalmente, comiéndose la nube que las alumbró, haciendo que la cara más expuesta de la nube, la “piel de Orión”, brille intensamente en la emisión del carbono ionizado.

Por primera vez, la combinación Herschel-HIFI ha permitido obtener imágenes con gran detalle de la emisión de C+, proporcionado una aproximación 3D del gas iluminado por radiación UV. Las imágenes resultantes ofrecen una visión sin precedentes de los intrincados movimientos del gas en la frontera entre el gas ionizado y el gas molecular (ver vídeo), permitiendo estudiar la dinámica del gas interestelar y sus condiciones físicas (temperatura, densidad, etc.).

“Lo sorprendente de este trabajo -afirma R. Goicoechea, primer autor e investigador del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC)- es que las condiciones físicas reveladas por las imágenes de Herschel en la vecindad de las estrellas del Trapecio pueden dominar y ayudarnos a comprender la emisión de C+ a escalas de una galaxia entera (millones de años luz cuadrados)”. Para realizar la imagen de C+ en Orión con Herschel-HIFI desde el espacio, se han necesitado casi 10 horas de observación. Con ALMA sólo se necesitan unos pocos minutos para detectar C+ en galaxias muy lejanas (debido a la enorme área colectora de sus 66 radio antenas operando como un solo telescopio).

Este estudio abre nuevas vías para caracterizar con más detalle y vincular el medio interestelar y el proceso de formación de estrellas en la Vía Láctea con los mismos procesos que tienen lugar en el universo primitivo.

Para profundizar en los resultados de está investigación, se ha solicitado tiempo de observación con el instrumento upGREAT, a bordo del telescopio estratosférico SOFIA, con el fin de cartografiar una región de Orión veinte veces mayor que la estudiada en este trabajo. 

Imagen de la emisión de [CII] 158μm tomada por Herschel, con anotaciones indicando la ubicación de las regiones más conocidas de la nube de Orión. Créditos:
Imagen de la emisión de [CII] 158μm tomada por Herschel, con anotaciones indicando la ubicación de las regiones más conocidas de la nube de Orión. Créditos: Goicoechea et al., 2015:

Notas

[1] La llamada línea de estructura fina [CII] en una longitud de onda de 158 μm puede observarse con telescopios como Herschel o SOFIA, sensibles a la radiación infrarroja lejana procedente del espacio interestelar.

[2] H2, la especie interestelar más abundante, emite de forma muy ineficiente.

[3] Se necesitan telescopios embarcados en globos, en aviones estratosféricos o en telescopios espaciales para evitar que la atmósfera bloquee la radiación en el infrarrojo lejano que viene del espacio.

[4] En desplazamiento al rojo de z>1 (la luz se desplaza a longitudes de onda más largas debido al efecto Doppler producido por la expansión del Universo).

[5] A unos 1.500 años luz.

[6] El cúmulo del Trapecio, un cúmulo estelar joven y masivo, parcialmente rodeado por su nube molecular parental, se encuentra (desde el punto de vista del observador) aproximadamente a una distancia de un año luz delante de la nube.

Vídeo:

 

(Enlace para ver el vídeo a mayor resolucion: La piel de Orión).

Este vídeo muestra la emisión de carbono ionizado a diferentes velocidades del gas. Gracias a la técnica de “alta resolución espectral”, se pueden distinguir con detalle los movimientos del gas. Este vídeo es análogo a un “escáner” de Orión en el que, primero, se detectan las regiones periféricas de la nebulosa de Orión (sobre todo gas ionizado visto en imágenes de luz visible) y concluye penetrando dentro de la nube molecular y de polvo que se esconde tras la nebulosa visible (con velocidades de gas superiores a 8 km/s). La piel de la nube (iluminada por la radiación UV de las estrellas del Trapecio) se ve mejor en el gas que se mueve a velocidades de entre 8 y 10 km/s. Créditos: Goicoechea et al., 2015.

Pies de imagen

Imagen de cabecera:
La nebulosa de Orión vista por el Hubble. Créditos: NASA, ESA, M. Robberto (STScI/ESA) et al. (Enlace a la imagen).

Pie de imagen 2:
Composición en color de la nebulosa de Orión (M42) tomada en luz visible con el telescopio espacial Hubble (Robberto et al., 2013). La nube molecular de Orión, donde en este momento se desarrollan nuevas protoestrellas, se encuentra detrás de la nebulosa ionizada. Los contornos negros muestran la emisión de C+ en el infrarrojo lejano detectada con Herschel-HIFI, trazando la piel iluminada de la nube (Goicoechea et al., 2015).

Pie de imagen 3:
Imagen de la emisión de [CII] 158μm tomada por Herschel, con anotaciones indicando la ubicación de las regiones más conocidas de la nube de Orión. Créditos: Goicoechea et al., 2015.

Más información:

Este trabajo de investigación se ha publicado en el artículo científico: “Velocity-resolved [CII] emission and [CII]/FIR mapping along Orion with Herschel”, publicado en la revista The Astrophysical Journal el 9 de octubre de 2015 y elaborado por Javier R. Goicoechea (Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC), España); D. Teyssier (Centro de Ciencia de Herschel, ESA/ESAC, España); M. Etxaluze (ICMM-CSIC, España/ RAL Space, Laboratorio Rutherford Appleton, Reino Unido); P.F. Goldsmith (Laboratorio de Propulsión a Chorro, Instituto Tecnológico de California, EE.UU.); V. Ossenkopf (Instituto de Física de la Universidad de Colonia, Alemania); M. Gerin (LERMA, Observatorio de París, Universidad de Investigación PSL, CNRS, Universidad de la Sorbona y Escuela Normal Superior de París, Francia); E.A. Bergin (Departamento de Astronomía, Universidad de Míchigan, EE.UU.); J.H. Black (Departamento de Ciencias de la Tierra y el Espacio, Universidad Tecnológica de Chalmers, Observatorio Espacial de Onsala, Suecia); J. Cernicharo (ICMM-CSIC, España); S. Cuadrado (ICMM-CSIC, España); P. Encrenaz (LERMA, Observatorio de París, Universidad de Investigación PSL, CNRS, Universidad de la Sorbona, Francia); E. Falgarone (LERMA, Observatorio de París, Universidad de Investigación PSL, CNRS, Universidad de la Sorbona, Francia y Escuela Normal Superior de París, Francia); A. Fuente (Observatorio Astronómico Nacional (OAN IGN), España); A. Hacar (Instituto de Astrofísica, Universidad de Viena, Austria); D.C. Lis (LERMA, Observatorio de París, Universidad de Investigación PSL, CNRS, Universidad de la Sorbona, Francia); N. Marcelino (INAF, Instituto de Radioastronomía, Italia); G.J. Melnick (Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian, Cambridge, EE.UU.); H.S.P. Müller (Instituto de Física de la Universidad de Colonia, Alemania); C. Persson (Departamento de Ciencias de la Tierra y el Espacio, Universidad Tecnológica de Chalmers, Observatorio Espacial de Onsala, Suecia); J. Pety (Instituto de Radioastronomía Milimétrica, Francia); M. Röollig (Instituto de Física de la Universidad de Colonia, Alemania); P. Schilke (Instituto de Física de la Universidad de Colonia, Alemania); R. Simon (Instituto de Física de la Universidad de Colonia, Alemania); R.L. Snell (Departamento de Astronomía, Universidad de Massachusetts, EE.UU.); y J. Stutzki (Instituto de Física de la Universidad de Colonia, Alemania).

Enlace al pre-print (borrador) del artículo: “Velocity-resolved [CII] emission and [CII]/FIR mapping along Orion with Herschel”.

Nota de prensa (en inglés) publicada por SRON (Instituto de Investigación Espacial de los Países Bajos): Herschel-HIFI probes skin of Orion

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