The APOGEE-South First Light Field — APOGEE-2 Sur. Observaciones de Primera Luz

This post was written by Carlos Roman (Instituto de Astronomía, UNAM, Mexico), with help from Roger Cohen (Universidad de Concepción, Chile) and Guy Stringfellow (University of Colorado). Spanish by Carlos Roman.

La región 30 Doradus en la Nube Grande de Magallanes (NGM) fue seleccionada como objetivo para la placa de primera luz del programa APOGEE-2 Sur en el Observatorio de Las Campanas. Esto se decidió en base a algunos razonamientos importantes:

The 30 Doradus region in the Large Magellanic Cloud (otherwise known as the Tarantula Nebula) was selected as the First Light plate for the APOGEE South Survey at Las Campanas Observatory. Several reasons stand out for this choice:

Las Nubes de Magallanes, tanto la Grande como la Pequeña, son dos de los objetos más representativos de el cielo del hemisferio sur. Estas son dos de entre un grupo muy pequeño de galaxias visibles al ojo humano, sin ayuda de telescopios, y son bien conocidas por los habitantes de las regiones australes de nuestro planeta. Las Nubes de Magallanes son también los miembros más cercanos del llamado Grupo Local de Galaxias de la Vía Láctea, lo cual significa que también contienen a los ambientes extragalácticos más cercanos con los que podemos comparar lo que observamos en nuestra Galaxia. Por esta razón, han sido objeto de númerosos estudios, que incluyen mapas muy completos en muchas longitudes de onda, obtenidos con instrumentos en la Tierra y en el Espacio, y desde los observatorios más importantes, incluyendo el Telescopio VISTA del Observatorio Europeo Austral (European Southern Observatory o ESO por su sigla en inglés), o los telescopios espaciales Spitzer, Herschel y GALEX.

The Large and the Small (LMC, SMC) Magellanic Clouds are among the most representative features of the South Hemisphere sky. They are among the handful of galaxies visible to the unaided human eye and are well known to the public in all Austral regions of the planet. The Magellanic Clouds are also the closest members in the Local Group of the Milky Way, which means they are the closest extragalactic environments to which we can compare our own, and therefore they have been the subject of copious studies, that include comprehensive, multi-wavelength surveys both ground and space-based, with facilities like the ESO-Vista Telescope, the Spitzer, Herschel and GALEX space observatories.

La NGM es particularmente famosa por su actividad de formación de estrellas. A pesar de ser una galaxia de morfología irregular y de tener un tamaño relativamente pequeño, su tasa de formación estelar es extremadamente alta. Los complejos de gas molecular en la NGM contienen algunos de los cuneros estelares más brillantes que hemos podido observar, y esto es porque producen muchas estrellas masivas. De hecho, algunas de las estrellas más masivas que se conocen se formaron en la NGM, y en particular, se están formando y desarrollando en la región 30 Doradus, también conocida como la Nebulosa de la Tarántula, una hermosa región de hidrógeno ionizado (o región HII) parcialmente iluminado por el grupo de la estrella R136 en el cúmulo estelar NGC 2070. Este grupo contiene alrededor de 10 de las estrellas más masivas que se conocen, incluyendo a la estrella R136a1, con una masa que se cree supere 300 veces la del Sol, y que es tan lumuinosa como 9 millones de estrellas tipo solar. R136a1 es la estrella más masiva que conocemos.

The Large Magellanic Cloud is particularly famous for its star formation activity. Despite being an irregular, relatively small galaxy, its star forming rate is extremely high. The molecular gas complexes in the LMC host some of the brightest stellar nurseries we can observe, and this is because they produce large numbers of massive stars. In fact, some of the most massive stars known are born in the LMC and in particular, they are being born in the 30 Doradus region, also known as the Tarantula Nebula, a beautiful ionized Hydrogen (HII) region partly illuminated by the star R136 group in the stellar cluster NGC 2070. This group contains about 10 of the most massive stars known, including the source R136a1, with an estimated mass of over 300 solar masses and a luminosity almost 9 millon times higher than our Sun’s. R136a1 is currently the most massive star known to date.

La NGM fue observada como parte del programa APOGEE-2 Sur. En poco tiempo, el instrumento APOGEE proveerá de espectros infrarrojos de alta resolución de miles de estrellas en ambas Nubes de Magallanes, que proveerán de una base de datos sin precedentes que permitirá la reconstrucción de sus historias de formación estelar y de la evolución de sus poblaciones estelares, permitiendo compararlas con las de nuestra Galaxia.

The LMC will be well covered in the APOGEE-2S survey. APOGEE will provide with infrared, high resolution spectra for thousands of stars in both Magellanic Clouds, which will provide an unprecedented database that will allow the reconstruction of their star formation and chemical evolution histories, allowing us to compare them with those of the Milky Way.

La razón por la que se escogió la región 30 Doradus como el campo de primera luz para el relevamiento APOGEE-2 Sur, es debido a su importancia como objeto astronómico, pero también contó su belleza. En las figuras que incluimos abajo, mostramos algunos mapas en colores falsos de la NGM construidas con datos en varias longitudes de onda, y en donde hemos marcado la posición del campo observado con APOGEE, centrado en una posición muy cercana a 30 Doradus. En la primera imagen se muestra a la NGM en el óptico, donde podemos distinguir la población principal de estrellas en la Nube, así como varias regiones HII que se ven como zonas de nebulosidad. En la segunda imagen, vemos a la NGM como fue observada por el Levantamiento de Legado SAGE, del telescopio espacial infrarrojo Spitzer: este mapa muestra en magnífico detalle el brillo de las regiones gaseosas iluminado por estrellas recientemente formadas a lo largo y ancho de la NGM. El tercer mapa, muestra a la NGM como fue observada por el Telescopio Espacial Herschel en el infrarrojo lejano. Esta vez, el mapa traza a detalle la estructura compleja del medio interestelar en la NGM, conformado por una intrincada red de burbujas y filamentos, moldeados por los vientos de las estrellas masivas y los cúmulos estelares en las que se formaron. Sobre esta imagen, colocamos el campo de APOGEE, y señalamos con puntos pequeños todas las estrellas observadas en la placa de primera luz. Ademas, escogimos cuatro de los espectros observados, que mostramos en la parte de la derecha. Estos espectros pertenecen a cuatro estrellas muy masivas de NGM.

We chose the 30 Doradus region as the First Light plate for the APOGEE2S survey because of its importance as an astrophysical subject but also because of its beauty as illustrated in the following three image, where we have highlighted the field of view of the region we will observe with APOGEE, centered close to 30 Doradus.

DSS optical map of the LMC. We can distinguish the main stellar population of the cloud and several HII regions seen as gaseous bubbles. Image Credit: Carlos Roman, SDSS-IV and DSS.

The LMC as seen by the SAGE Legacy Survey of the galaxy made by the Spitzer Space Telescope: it shows in magnificient detail, the glow from gaseous regions illuminated by recently formed stars across the whole galaxy. Image Credit: Carlos Roman, SDSS-IV and Spitzer.

The same region but as seen with the Herschel Space Telescope in the Far-Infrared, this time tracing the complex structure of the interstellar medium of the LMC, seen as an intricated network of bubbles and filaments excavated by the winds of the massive stars and their clusters. Image Credit: Carlos Roman, SDSS-IV and Herschel.

El la cuarta figura, mostramos un acercamiento al campo de primera luz en 30 Doradus y sus alrededores, donde se señala el campo del espectrógrafo APOGEE desde el telescopio Dupont de 2.5m en su óptica principal en el Observatorio de Las Campanbas. Este campo abarca un área de poco más de 3 grados cuadrados, o 16 veces el área de la Luna llena. Dentro de esta área, se obtuvieron espectros para casi 270 objetivos científicos, que se indican en el mapa con símbolos de distintos colores.

Below we show a close-up of the 30 Doradus region and its surroundings, where we have outlined the field of view of the APOGEE spectrograph from Las Campanas Observatory 2.5m Dupont telescope. This field of view spans over 3 square degrees, 16 times the area of the full Moon. Inside this area, we have obtained spectra for 270 scientific targets, which we have also sketched in the map with different colored symbols.

Plot showing locations of proposed fibers on plate. Image Credit Carlos Roman.

La lista de objetivos propuesta incluyó:

The list of targets include:

26 Estrellas Variables Luminosas Azules (Luminous Blue Variables o LBV por su sigla en inglés) y candidatos a estrellas tipo Wolf-Rayet, incluida R136a1. Estas son fuentes muy masivas, que tienen vidas muy cortas y se formaron muy recientemente (hace unos pocos millones de años), de modo que trazan el episodio más reciente en la historia de evolución química de la NGM, y a la vez proveen información crucial sobre la cinemática y las propiedades de los cúmulos masivos de estrellas en los que se formaron. Estas estrellas muestran la fase evolucionada de estrellas muy masivas, y se sabe que muestran grandes variaciones de brillo debido al hecho de que están expulsando rápidamente sus capas externas por la acción de poderosos vientos estelares. La estrella Eta Carinae en nuestra galaxia la Vía Láctea, es un ejemplo bien conocido de este tipo de estrellas. Las LBV también tienen espectros muy característicos, con líneas que presentan lo que se conoce como perfiles tipo P-Cygni, que parecieran mostrar simultáneamente absorción y emisión. Estas características espectrales indican, precisamente, los procesos físicos relevantes a la acción de los vientos.

a) 26 Luminous Blue Variables and Wolf Rayet star candidates, including R136a1. These are very massive sources, which are very short lived and formed very recently, so they trace the current episode in chemical evolution in the LMC as well as crucial information on the kinematics and properties of the massive clusters in which they form. These stars are the evolved stages of very massive stars and they are known to have large variations in brightness due to the fact that they are expelling their external layers by powerful winds. The Milky Way star Eta Carinae is a well known example of this kind of star. LBV stars also very characteristic spectra, with lines that present what is known as a P-Cygni profile, which appears both as an emission and absorption. These features indicate, precisely, the physical processes relevant to the winds.

55 estrellas masivas (tipos espectrales OB) adicionales en el campo de 30 Doradus y en regiones cercanas de formación estelar masiva. Estos objetos fueron seleccionados a partir de una compilación, basada en fotometría infrarroja del proyecto SAGE (A. Bonanos et al., 2009 AJ, 138, 1003), y de un programa de espectroscopia óptica de las complejos de formación estelar N159/N160, localizados al Sur de 30 Doradus (C. Fariña et al., 2009, AJ, 138, 2).

b) 55 additional massive (OB) star candidates in the 30 Dor and surrounding star forming complexes. These targets were selected from the compilation of A. Bonanos, based on infrared photometry from the Spitzer SAGE Legacy Survey of the LMC (2009 AJ, 138, 1003), and from the optical spectroscopic survey of the N159/N160 star forming complexes -located South of 30 Dor- by C. Fariña (2009 AJ, 138, 2).

42 estrellas Super-gigantes, azules, amarillas y rojas. Estas estrellas son equivalentes a distintos tipos de estrellas enanas como el Sol, pero en estos casos sus clases de luminosidad las clasifican como gigantes y super-gigantes. Las estrellas azules son típicamente decenas o cientos de veces más masivas que nuestro Sol. Las estrellas amarillas son de masas más parecidas a las del Sol, mientras que las rojas son estrellas hechas con apenas una fracción de la masa del Sol.

c) 42 blue, red and yellow Supergiants. These stars are giant and supergiant (known as Class I and II) equivalents of dwarf stars like our Sun. Blue stars are typically tens to hundreds of times more massive than the Sun. Yellow stars are closer in mass to our Sun, and red stars are stars made from only a fraction of a solar mass.

80 estrellas tipo Gigantes Rojas y de Secuencia Principal, que representan la población general de la NGM, seleccionadas a partir de fotometría infrarroja. Estas fuentes proveen de una primera mirada a la cinemática, las abundancias químicas y la distribución de metalicidades en las poblaciones de estrellas de la NGM. Hay una relación importante entre estas poblaciones y las estrellas masivas que se observaron, ya que las primeras muy posiblemente se originaron en agregaciones estelares como las que ahora albergan a las estrellas masivas.

b) 80 red giant and 26 main-sequence stars from the mainstream population of the LMC, selected from near-IR photometry. These sources will provide a first look at the kinematics, the chemical abundances and the metallicity distribution function in the stellar populations of the LMC. There is an important link between these populations and the massive stars we are studying, as the first ones were most likely originated in stellar clusters like those hosting the massive stars.

40 objetos asociados con regiones del medio interestelar, principalmente regiones HII asociadas con cúmulos masivos de estrellas. Estos objetos proveen información importante acerca de las propiedades del medio interestelar (gas y polvo) en la NGM, que pueden ser trazadas por líneas características en los espectros, como las llamadas bandas interestelares difusas, pero también por líneas de absorción producidas por carbón y otros metales presentes en el polvo interestelar. La capacidad del espectrógrafo APOGEE para producir información sobre las velocidades radiales, serán esenciales para saber más sobre la estructura cinemática del medio interestelar en la NGM, y cómo las propiedades del medio se relacionan con los diversos ambientes presentes en esa galaxia.
Se incluyeron, finalmente, 32 posiciones vacías para hacer estimaciones del brillo de fondo en la región.

c) 40 targets associated to local ISM regions, mostly HII regions associated with massive star clusters. These targets will provide important information about the properties of the interstellar medium (gas and dust) in the LMC, which can be traced by specific features in the spectra, like the so-called diffuse interstellar bands, but also by absorption features that are produced by carbon and other metals in the dust. The ability of APOGEE to provide information on the radial velocities of the gas will provide crucial information about the kinematical structure of the gas in the LMC, and how the properties of the interstellar medium relate to the diversity of environments present in the galaxy.

Las observaciones de primera luz se tomaron a principios de este mes. Abajo se muestra una imagen compuesta con datos del observatorio espacial Herschel, las posiciones de las fibras usadas y algunos ejemplos de los datos que se obtuvieron.

The first light data was taken earlier this month. Below we show a composite with the Herschel data, fibres overlaid and some examples of the spectral data that was obtained.

First light data for APOGEE2-S instrument. Spectra are of massive stars in the Tarantula Nebula. Image Credit: Carlos Roman.

Here is a link to the press release about this first light for APOGEE South.

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