El espectro más débil observado nos apunta hacia una importante cuestión :
¿Por qué las Galaxias en el Universo Joven son tan antiguas?

Hasta ahora, los astrónomos han estado casi a ciegas cuando retroceden en el tiempo para censar una era en la cual  se suponía que la mayoría de las estrellas del Universo habían sido formadas. Este crítico punto ciego cosmológico ha sido resuelto por un equipo, que utilizando el Telescopio  Frederick C. Gillett de Gemini Norte, pudo comprobar que las galaxias en el universo joven no se estarían comportando como se esperaba desde hace 8-11 mil millones de años.

¡ Qué sorpresa !. Aparentemente estas galaxias  estaban mayormente formadas en su totalidad y eran más masivas de lo estimado en esta temprana época de la evolución del universo. Este descubrimiento es similar al de un profesor que entra en una sala esperando saludar a un montón de adolescentes inquietos y encuentra a un grupo de bien presentados y más bien corpulentos adultos jóvenes.

Según el Dr. Roberto Abraham de la Universidad de Toronto, co-investigador del equipo en las observaciones en Gemini :  "La teoría nos dice que esta época debiera estar dominada por pequeñas galaxias que chocan entre sí. Sin embargo estamos viendo que una fracción importante de estrellas estaban ya en su lugar cuando el universo era bastante joven, lo cual no debiera ser. Esta mirada hacia atrás en el tiempo muestra claramente que necesitamos replantearnos sobre lo que ocurrió durante esta temprana era en la evolución de las galaxias. ¡Definitivamente, los teóricos tendrán ahora algo para roer! ".

Los resultados fueron anunciados hoy en la  reunión 203 de la Sociedad  Astronómica Estadounidense en Atlanta, Georgia.  Los datos obtenidos serán pronto puestos a disposición de toda la comunidad astronómica para futuros análisis y 4 artículos científicos se encuentran preparados para su publicación en el Astrophysical y  Astronomical Journal.

Estas observaciones provienen de una investigación multinacional, denominada  el  Gemini Deep Deep Survey (GDDS), quienes utilizaron una técnica conocida , llamada espectro, la cual  captura la luz proveniente de las galaxias más tenues que se haya analizado en el arcoiris de colores.  En total, se recogieron espectros de más de 300 galaxias, representando así la muestra más completa que alguna vez se haya obtenido de las galaxias de cuando el Universo tenía sólo un 20-40% de su edad actual. El hecho de obtener grandes cantidades de datos de 4 campos suficientemente separados permite a este muestreo  proveer la estadística básica para obtener conclusiones sobre lo que sólo se sospechaba a través de observaciones aisladas durante la década pasada. (vea www.gemini.edu/gdds para más detalles de investigaciones previas en esta área.)

"A traves de los datos provenientes de Gemini tenemos uno de los muestreos (survey) más completos que se haya hecho cubriendo la mayor parte de las galaxias que representan condiciones  en el universo temprano.  Estas son las galaxias masivas, las cuales, de hecho, son más difíciles de estudiar por su falta de energía luminosa proveniente de la  formación estelar. Estas galaxias altamente desarrolladas, cuya juventud de formación estelar se ha acabado hace mucho tiempo, simplemente no deberían estar allí, pero están ", señaló el Dr. Karl Glazebrook (Investigador  co-principal) de la Universidad Johns Hopkins.

Los astrónomos que tratan de comprender este tema quizas deberán poner todo sobre la mesa.  "No es claro si necesitamos ajustar los modelos existentes o desarrollar uno nuevo para poder entender este descubrimiento," agregó el tercer investigador co-principal, el Dr. Patrick McCarthy de la Institución de  Observatorios Carnegie.  " Del espectro obtenido en Gemini, resulta más bien obvio que éstas son galaxias muy maduras, y que no estamos viendo los efectos debido a un posible polvo oscurecedor.  Obviamente existen otros aspectos importantes acerca de la vida temprana de las galaxias que nosotros simplemente no entendemos.  Incluso es posible, que hayan habido muchos más agujeros negros de lo que nosotros pensamos en el universo joven y éstos hayan jugado un rol más importante posibilitando así la formación de galaxias tempranas." 

Conocida como el "Desierto de corrimientos al rojo"  (Redshift Desert)  la región del espacio vista por telescopios que miran hacia el pasado, en la era cuando el universo tenía 3-6 billones de años, es vastamente inexplorada. El estudiar las galaxias tenues de esta época presenta un duro desafío para los astrónomos, incluso si se utilizan telescopios grandes como el de Gemini Norte con un espejo de 8 metros.  Todos los muestreos de galaxias anteriores en esta región se han focalizado donde está ocurriendo una formación estelar intensa, lo cual facilita la obtención de espectros (ya que son más brillantes)  pero produce una muestra totalmente sesgada.  El GDDS fue capaz de seleccionar una muestra más representativa que incluye la mayoría galáctica - galaxias normales, débiles, y galaxias más masivas - las cuales demandan técnicas especiales para obtener un espectro de luz débil.

La teoría de evolución de galaxias más aceptada actualmente postula que la población de galaxias en esa etapa temprana era dominada por bloques de construcción evolutivos. Apropiadamente llamada el Modelo Jerárquico, este predice que las galaxias normales a grandes, como las estudiadas en este trabajo, no habrían existido todavía y en cambio estarían creciendo como panales de abejas locales.

Los espectros de este estudio  fueron a su vez utilizados para determinar la contaminación del gas interestelar debida a elementos pesados (llamados 'metales') producidos por las estrellas. Este es un indicador clave de la historia de la evolución estelar en las galaxias.  Sandra Savaglio de la Universidad Johns Hopkins quien estudió este aspecto de la investigación señaló, "Nuestra interpretación del Universo es altamente afectada por la forma en cómo lo observamos. Ya que el GDDS observó galaxias muy débiles, nosotros pudimos detectar el gas interestelar incluso si se oscurecía parcialmente por la presencia de polvo. Al estudiar la composición química del gas interestelar, pudimos descubrir que las galaxias en nuestro censo son más ricas en metales de lo que esperábamos.¡ Precisamente de esto es lo que trata la ciencia, haciendo que las largas horas de análisis de información hayan valido el esfuerzo! "

El no poder hacer observaciones en el Desierto de corrimientos al rojo ha frustrado a los astrónomos modernos durante la ultima década, y sabiendo que muchas galaxias deben existir en él, y que es solo un "desierto" porque no podíamos obtener buenos y fiables espectros de ellos. El problema recae en que las características claves espectroscópicas utilizadas para estudiar las galaxias han sido desplazadas - debido a la expansión del universo - hacia una parte del espectro óptico que corresponde a un pálido, natural y obscurecedor destello en la atmósfera nocturna de la Tierra. 

Para solucionar este problemase utilizó, una sofisticada técnica  denominada "Nod and Shuffle"  en los telescopios Gemini.  "Esta técnica de Nod and Shuffle nos permite eliminar el destello naturalmente pálido del cielo nocturno para revelar los espectros tenues de galaxias bajo éste, estas galaxias son hasta 300 veces menos brillantes que el cielo," explica la Dra. Kathy Roth,  astrónoma de Gemini quien también integró el equipo y observó gran parte de los datos. " Se ha comprobado que es una manera extremadamente efectiva para reducir radicalmente el ruido o los niveles de contaminación que son encontrados en la señal de un detector de luz electrónico."  Cada observación duró el equivalente a 30 horas y produjo cerca de 100 espectros simultáneamente. El proyecto entero requirió cerca de 120 horas de telescopio en total.  "Esto significa utilizar mucho tiempo valioso de telescopio, pero si se considera que nos ha permitido completar un vacío que equivale al 20% en nuestro entendimiento del universo, entonces es un tiempo muy bien utilizado," agregó el  Dr. Glazebrook quien desarrolló el uso del Nod & Shuffle para observaciones de galaxias débiles cuando trabajaba en el Observatorio Anglo-Australiano  hace un par de años. Para una mejor y mas completa explicación más completa de esta técnica, incluyendo su desarrollo original en la mitad de los 90 a cargo de Bernard Fort y Jean-Charles Cuillandre, se puede buscar en: www.gemini.edu?

Estudios anteriores en el Desierto de corrimientos al rojo se han concentrado en galaxias que no necesariamente representaban la totalidad de los sistemas.  Para este estudio, las galaxias fueron cuidadosamente seleccionadas basadas en informaciones del Censo Infrarojo del observatorio de Las Campanas para poder asegurar que las galaxias de brotes estelares que son fuertes emisores en el UV no estuviesen sobremuestreadas. "Este estudio es único ya que podemos estudiar el extremo rojo del espectro, lo cual nos permite saber acerca de las edades de las estrellas viejas", dice el Dr. Abraham.  "Nosotros tomamos exposiciones extremadamente largas con Gemini - alrededor de diez veces más tiempo que las exposiciones tradicionales. Esto nos permitió observar  muchas galaxias más débiles de lo normal y a su vez enfocarnos en todas las estrellas  y no sólo en las mas jóvenes y vistosas. Esto nos hace más fácil poder entender cómo van evolucionando las galaxias. Ya no estamos adivinándolo con sólo estudiar los objetos jóvenes y asumir que los más viejos no contribuían mucho en la historia de la evolución de las galaxias. Al final, resulta que hay muchas galaxias viejas allá afuera, pero son muy difíciles de encontrar." 

Los Espectrógrafos Multi Objeto de Gemini  (GMOS) que han sido usados para hacer estas observaciones son instrumentos gemelos construidos gracias a una asociación conjunta entre Gemini, el Instituto de AstrofÌsica Herzberg dependiente del Consejo de Investigación Nacional de Canadá (NRC), el Centro Tecnológico de Astronomía y la Universidad de Durham en el Reino Unido. Independientemente, el Observatorio Nacional de Astronomía Optica de Estados Unidos brindó el  detector y el software correspondiente. GMOS está diseñado prioritariamente para estudios espectroscopía donde se requieren varios cientos de espectros simultáneos, como cuando se observan cúmulos de estrellas y de galaxias. GMOS también tiene la habilidad de tomar imágenes astronómicas en su detector de más de 28 millones de pixeles.

El Observatorio Gemini es dirigido por la Asociación de Universidades para la Investigación en Astronomía (AURA) bajo un acuerdo de cooperación con la Fundación Nacional de la Ciencia de Estados Unidos (NSF). La NSF también participa como agencia ejecutiva para la asociación internacional.

Las otras agencias de investigación de la asociación de Gemini incluyen: el Consejo de Investigación en Astronomía y Física del Reino Unido (PPARC), el Consejo de Investigación Nacional de Canada (NRC), la Comisión Nacional de Investigación Científica y Tecnológica de Chile (CONICYT), el Consejo de Investigación de Australia (ARC), el Consejo Nacional Argentino de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET) y el Conselho Nacional de Brasil de Pesquisas Científicas e Tecnológicas (CNPq).