Unveiling the heart of (u)lirgs with high-angular resolution radio observations

Resumen

La muerte de estrellas de masa similar o mayor a 8 M_sun está marcada por su explosión como supernovas de colapso gravitatorio (CCSNe). Debido a que la vida de estrellas masivas es mucho más corta que la edad del Universo, la tasa a la que explotan puede utilizarse como un trazador directo de la tasa de formación estelar actual en la galaxia anfitriona. A su vez, midiendo la tasa de formación estelar en galaxias a diferentes corrimientos al rojo, será posible trazar la historia de la formación estelar en el Universo. Es por ello que la detección de supernovas de colapso gravitatorio es una tarea pertinente. En particular, el estudio de galaxias luminosas (LIRGs: L_IR > 1E+11 L_sun) y ultra-luminosas (ULIRGs: L_IR > 1E+12 L_sun) en el infrarrojo es de suma importancia para alcanzar este objetivo, ya que gran parte de la formación de estrellas masivas a altos corrimientos al rojo tuvo lugar en dichas galaxias. En la mayoría de (U)LIRGs, los intensos brotes de formación estelar están concentrados en las regiones nucleares y circunnucleares, y en muchos casos están acompañados por la presencia de núcleos activos de galaxias (AGNs), que en conjunto son responsables del calentamiento del polvo en (U)LIRGs. Por un lado se tiene que la detección de CCSNe o incluso de un AGN, está limitada en longitudes de onda del óptico y del infrarrojo principalmente por la presencia de polvo, y por otro lado, la emisión de CCSNe en longitudes de onda de radio (que no tiene problemas de absorción), es más potente en regiones densas, ya que es generada por la interacción del viento pre-supernova con el medio circunestelar. Por lo tanto, una CCSN que explota en las regiones más alejadas al núcleo (regiones galácticas y circumnucleares), será más fácilmente detectada en el óptico/infrarrojo, mientras que una CCSN que explota en las regiones nucleares (y circumnucleares, si la densidad del gas es alta), es susceptible de ser detectada en longitudes de onda de radio. En uno de los estudios que constituyen esta tesis, se ha resaltado la importancia de llevar a cabo estudios conjuntos de radio e infrarrojo, con el fin de estimar tasas completas de explosión de CCSNe, que a su vez nos lleven a determinar con mayor precisión la tasa de formación estelar en las galaxias anfitrionas. Esta tesis está orientada al estudio de las regiones más internas de las (U)LIRGs, donde tanto gas como polvo se encuentran en grandes cantidades, por lo que las observaciones a longitudes de onda de radio son idóneas. Una de las contribuciones científicas de la presente tesis al estudio de las (U)LIRGs ha sido la detección directa e indirecta de CCSNe en las regiones nucleares de dichas galaxias. Utilizando la red interferométrica del EVN (European VLBI Network), se descubrieron factorías de supernovas en dos LIRGs cercanas: IC 694 (también llamada Arp 299-A, es el núcleo más brillante del sistema de galaxias denominado Arp 299) a 45 Mpc de distancia, cuya factoría detectada ya en 2003 por otros investigadores, se revela en nuestras observaciones como muy prolífica; e IC 883 a 100 Mpc. En convivencia con el intenso brote de formación estelar, en ambas galaxias se detectaron también AGNs de baja luminosidad. Estos resultados representan un paso importante en la determinación del mecanismo dominante del calentamiento del polvo en (U)LIRGs, ya que sólo en las galaxias más cercanas es posible resolver la emisión difusa y detectar sus componentes compactas; de hecho, el número de factorías de supernovas reportado actualmente en la literatura, es muy bajo. Es de resaltar el descubrimiento de un brote de formación estelar en la galaxia IC 883, pues observaciones interferométricas de muy larga base (VLBI) realizadas en el pasado, lograron solamente identificar el AGN. Esto se debe probablemente a la baja sensibilidad de dichas observaciones. Con datos de archivo del VLA (Very Large Array), hemos realizado un estudio piloto en los núcleos del sistema en interacción Arp 299 con el fin de dar un paso adelante y detectar indirectamente la explosión de supernovas. Mediante el monitoreo de la densidad de flujo del núcleo de una galaxia, es posible separar la emisión difusa de la emisión proveniente de las componentes compactas (por ejemplo supernovas). Con este método, estimamos la tasa de explosión de CCSN en uno de los núcleos de Arp 299 (B1). Las ventajas que este estudio ofrece son su sencillez, ya que no requiere suposiciones sobre la extinción ni sobre el comportamiento espectral del núcleo, y el hecho de que permite la determinación de tasas de explosión de CCSN en galaxias lejanas que no pueden ser resueltas a la más alta resolución posible. En este trabajo, extendemos nuestro estudio a las ULIRGs más brillantes y más lejanas del Universo local. Presento en esta tesis los resultados de tres épocas de observaciones con el EVN realizadas a dos frecuencias distintas simultáneamente de IRAS 23365+3604 (D=252 Mpc). Las imágenes presentadas son las más profundas y con mayor resolución jamás obtenidas de dicha galaxia. Aunque no es posible resolver la emisión difusa, nuestras observaciones han revelado la naturaleza mixta de su núcleo a través de las mediciones de luminosidad, temperatura de brillo, y evolución del índice espectral. Hasta un radio de 50 pc aproximadamente, el núcleo está dominado por brotes de formación estelar y posiblemente de un AGN; a partir de ahí y hasta un radio de 100 pc, domina una población envejecida de emisores en radio, probablemente remanentes de supernova (SNR). Además, hemos encontrado que la vida de la fuente en radio está limitada por pérdidas de radiación, por lo que la reaceleración, o la inyección de nuevos electrones, resulta necesaria. Dado que la magnitud del campo magnético que encontramos tanto a escalas nucleares como galácticas, es similar a la estimada para otras ULIRGs en estado avanzado de fusión, concluimos que el escenario de reaceleración/inyección necesaria de electrones, debe ser común para este tipo de galaxias, como sugiere la existencia de SNe y SNRs en las zonas nucleares. Presento también en esta tesis nuestras observaciones de emisión máser de vapor de agua en LIRGs que se sabe contienen un AGN: Arp 299 (núcleos A y B1) y NGC 7469. Los máseres de agua extragalácticos con luminosidades superiores a 10L_sun, son excelentes trazadores de chorros o discos, cuya presencia está relacionada con actividad AGN. Las observaciones hacia Arp 299 han supuesto un gran reto, tanto por la complejidad de la técnica usada (VLBI) como por la debilidad intrínseca de la línea que intentábamos detectar (~ 3.5 mJy). Complicaciones técnicas con las antenas utilizadas en las observaciones, han resultado en una baja calidad de los datos, por lo que no se ha podido comprobar si hay detección o no. Este proyecto continúa y estamos a la espera de una nueva época de observación. En el caso de NGC 7469, nuestras observaciones con el telescopio de 100 m de Effelsberg representaron un intento más por detectar vapor de agua en esta galaxia, mejorando en un factor tres observaciones previas por otros grupos de investigación. Recientemente se propuso que la detección de vapor de agua en galaxias de tipo Seyfert 1 (como NGC 7469) se debía a la baja sensibilidad de las observaciones hasta ahora realizadas. Nuestras observaciones demuestran que incluso una alta sensibilidad no es suficiente, por lo que la detección podría estar limitada principalmente por la inclinación propia de las galaxias Seyfert 1, de manera que de haber emisión máser de agua, no se tiene ninguna componente en nuestra línea de visión y por lo tanto dicha emisión no es detectable, como ha sido sugerido en otros estudios. En esta tesis se han aprovechado al máximo diferentes instrumentos con el objetivo de contribuirr al entendimiento de (U)LIRGs en general, pero también, se han marcado vías de acción de cara al advenimiento de nuevos instrumentos con los que se pretende el estudio de galaxias a distancias cosmológicas.