Mirar la mitad del universo observable y esperar ver estrellas individuales se considera un fracaso en astronomía, un poco como levantar un par de binoculares a la luna con la esperanza de ver granos de polvo individuales dentro de sus cráteres. Sin embargo, gracias a un capricho cósmico de la naturaleza, un equipo internacional dirigido por astrónomos del Observatorio Steward de la Universidad de Arizona hizo precisamente eso.
Utilizando el Telescopio Espacial James Webb (JWST) de la NASA, el equipo de investigación observó una galaxia a unos 6.500 millones de años luz de la Tierra, cuando el universo tenía la mitad de su edad actual. En esta galaxia distante, el equipo identificó una gran cantidad de estrellas individuales, visibles gracias a lentes gravitacionales y un efecto conocido como poder de acumulación de luces del JWST.
El descubrimiento, publicado en la revista Nature Astronomy, marca un logro récord: el mayor número de estrellas individuales jamás encontradas en el universo distante. También proporciona una manera de investigar uno de los mayores misterios del universo: la materia oscura.
La mayoría de las galaxias, incluida la Vía Láctea, contienen decenas de miles de millones de estrellas. En galaxias cercanas, como la galaxia de Andrómeda, los astrónomos pueden observar las estrellas una por una. Sin embargo, en las galaxias a miles de millones de años luz de distancia, las estrellas parecen mezcladas porque su luz tiene que viajar miles de millones de años luz antes de llegar a nosotros, lo que presenta un desafío de larga data para los científicos sobre cómo se forman y evolucionan las galaxias.
“Para nosotros, las galaxias que están muy lejos generalmente parecen una masa borrosa y estirada”, dijo Yoshinobu Fudamoto, profesor asistente en la Universidad de Chiba en Japón y académico visitante en el Observatorio Steward. “Pero, de hecho, esas manchas están formadas por muchas, muchas estrellas individuales. No podemos resolverlas con nuestros telescopios”.
Los recientes avances en astronomía han abierto nuevas posibilidades al aprovechar las lentes gravitacionales, un efecto de mejora natural causado por los fuertes campos gravitacionales de los objetos masivos. Como predijo Albert Einstein, las lentes gravitacionales pueden amplificar el brillo de estrellas distantes en un factor de cientos o incluso miles, haciéndolas detectables mediante instrumentos sensibles como JWST.
“Estos resultados generalmente se han limitado a sólo una o dos estrellas por galaxia”, dijo Fudamoto. “Para estudiar las poblaciones estelares de forma estadísticamente significativa, necesitamos muchas más observaciones de estrellas individuales”.
Fengwu Sun, ex estudiante de posgrado de la U of A que ahora es becario postdoctoral en el Centro de Astrofísica El Harvard & Smithsonian se topó con un tesoro de estrellas mientras examinaba las imágenes del JWST de una galaxia conocida como el Arco del Dragón, que se encuentra detrás de un gran cúmulo de galaxias llamado Abell 370 a lo largo de la línea de visión desde la Tierra. De hecho, Abell 370 amplía la firma Dragon Arc. Una espiral alargada, como una sala de espejos de proporciones cósmicas.
En diciembre de 2022 y 2023, JWST adquirió dos imágenes del Dragon Arc. Dentro de estas imágenes, los astrónomos contaron 44 estrellas individuales cuyo brillo cambió con el tiempo debido a variaciones en el paisaje de lentes gravitacionales.
“Este importante descubrimiento muestra por primera vez que es posible estudiar un gran número de estrellas individuales en una galaxia distante”, dijo Sun, siempre que la naturaleza esté ahí para ayudar.
Sin embargo, incluso la fuerza gravitacional muy fuerte de los cúmulos de galaxias no es suficiente para magnificar las estrellas individuales en galaxias distantes. En este caso, el descubrimiento fue posible gracias a una alineación aleatoria de “estrellas de la suerte”.
“Dentro de los cúmulos de galaxias, hay muchas estrellas flotando que no están unidas a ninguna galaxia”, dijo Eiichi Egami, profesor investigador del Observatorio Steward. “Cuando uno de estos pasa delante de una estrella de fondo en una galaxia distante a lo largo de la línea de visión con la Tierra, actúa como una microlente además del efecto de macrolente del cúmulo de galaxias en su conjunto. “
Los efectos combinados de la macrolente y la microlente aumentan drásticamente el factor de magnificación, lo que permite al JWST captar estrellas individuales que de otro modo estarían demasiado distantes y serían débiles.
A medida que las estrellas dentro del cúmulo de aumento se mueven en relación con galaxias distantes y estrellas objetivo en la Tierra, la alineación de las microlentes en este “telescopio” natural cambia ligeramente en períodos cortos de tiempo: unos pocos días. Cuando están perfectamente alineadas, el brillo y el aumento de las estrellas distantes aumentan dramáticamente, para desvanecerse nuevamente al poco tiempo.
“Al observar la misma galaxia varias veces, podemos ver estrellas en galaxias distantes tal como parecen estar dentro y fuera de existencia”, dijo Fudamoto. “Esto se debe a que el efecto de macro y microlente tiene diferentes aumentos efectivos a medida que las estrellas con microlente entran y salen de la línea de visión”.
El equipo de investigación analizó cuidadosamente los colores de cada estrella dentro del Arco del Dragón y descubrió que muchas son supergigantes rojas, similares a Betelgeuse en la constelación de Orión, que se encuentra en las etapas finales de su vida. Esto contrasta con descubrimientos anteriores, que identificaron principalmente “espurgentes” azules como Rigel y Danib, que se encuentran entre las estrellas más brillantes del cielo nocturno. Según los investigadores, esta diferencia en los tipos de estrellas también resalta el poder único de las observaciones del JWST en longitudes de onda infrarrojas para detectar estrellas a bajas temperaturas.
Se espera que futuras observaciones del JWST capturen estrellas más masivas en Dragon Arc Galaxy. Estos esfuerzos podrían conducir a estudios detallados de cientos de estrellas en galaxias distantes. Además, las observaciones de estrellas individuales pueden proporcionar información sobre la composición de las lentes gravitacionales e incluso arrojar luz sobre la naturaleza esquiva de la materia oscura.
El proyecto contó con el apoyo de varios financiadores, incluidos la NASA y la NSF.
