El cúmulo de galaxias Abell 2744 se encuentra a una distancia de unos 3.500 millones de años luz y contiene más de 400 galaxias miembros. La gravedad combinada de todas las galaxias hace que el cúmulo actúe como una lente para magnificar la luz de las estrellas más allá, incluyendo, el equipo espera, las primeras estrellas en formarse en el universo. Crédito:NASA / ESA / Universidad Estatal de Arizona (R. Windhorst y F. Timmes)
Aproximadamente 200 a 400 millones de años después de que el Big Bang creara el universo, empezaron a aparecer las primeras estrellas. Normalmente, las estrellas que se encuentran a una distancia tan grande en el espacio y el tiempo estarían fuera del alcance incluso para el nuevo telescopio espacial James Webb de la NASA. previsto para su lanzamiento en 2020.
Sin embargo, Los astrónomos de la Universidad Estatal de Arizona están dirigiendo un equipo de científicos que proponen que, con un buen momento y algo de suerte, el telescopio espacial Webb podrá capturar la luz de las primeras estrellas que nazcan en el universo.
"Buscar las primeras estrellas ha sido durante mucho tiempo un objetivo de la astronomía, "dijo Rogier Windhorst, Profesor de Astrofísica de los Regentes en la Escuela de Exploración de la Tierra y el Espacio de ASU. "Nos hablarán de las propiedades reales del universo primitivo, cosas que solo hemos modelado en nuestras computadoras hasta ahora ".
Colaborador de Windhorst, Frank Timmes, profesor de astrofísica en la Escuela de Exploración de la Tierra y el Espacio, agrega, "Queremos responder preguntas sobre el universo temprano como, ¿Eran comunes las estrellas binarias o la mayoría de las estrellas eran únicas? ¿Cuántos elementos químicos pesados se produjeron? cocinado por las primeras estrellas, y ¿cómo se formaron esas primeras estrellas?
Duho Kim, un estudiante graduado de la Escuela de Exploración de la Tierra y el Espacio de Windhorst, trabajó en el modelado de poblaciones de estrellas y polvo en galaxias.
Los otros colaboradores del artículo son J. Stuart B. Wyithe (Universidad de Melbourne, Australia), Mehmet Alpaslan (Universidad de Nueva York), Stephen K. Andrews (Universidad de Australia Occidental), Daniel Coe (Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial), José M. Diego (Instituto de Física de Cantabria, España), Mark Dijkstra (Universidad de Oslo), y Simon P. Driver y Patrick L. Kelly (ambos de la Universidad de California, Berkeley).
El papel del equipo, publicado en el Suplemento de revista astrofísica , describe cómo se pueden realizar las observaciones desafiantes.
Lente de aumento de gravedad
El primer paso esencial en la tarea se basa en la sensibilidad infrarroja del telescopio Webb. Mientras que las primeras estrellas eran grandes, luz ultravioleta lejana caliente e irradiada, se encuentran tan lejos que la expansión del universo ha desplazado su pico de radiación del ultravioleta a longitudes de onda infrarrojas mucho más largas. Por lo tanto, la luz de las estrellas cae en los detectores de infrarrojos del telescopio Webb como un aterrizaje de béisbol en un guante de campo.
El segundo paso esencial es utilizar la gravedad combinada de un cúmulo de galaxias intermedias como lente para enfocar y magnificar la luz de las estrellas de primera generación. Las lentes gravitacionales típicas pueden aumentar la luz de 10 a 20 veces, pero eso no es suficiente para que el telescopio Webb pueda ver una estrella de primera generación. Para Webb, la luz de la estrella candidata debe aumentar en un factor de 10, 000 o más.
Para obtener tanto aumento se requieren "tránsitos cáusticos, "alineaciones especiales en las que la luz de una estrella se magnifica enormemente durante unas pocas semanas a medida que el cúmulo de galaxias se desplaza a través del cielo entre la Tierra y la estrella.
Los tránsitos cáusticos ocurren porque un grupo de galaxias que actúa como una lente no produce una sola imagen como una lupa de lectura. El efecto es más parecido a mirar a través de una hoja de vidrio abultada, con zonas nulas y puntos calientes. Un cáustico es donde el aumento es mayor, y debido a que las galaxias en el cúmulo de lentes se esparcen dentro de él, producen múltiples cáusticos de aumento que trazan un patrón en el espacio como una telaraña.
Jugando las probabilidades
¿Qué tan probable es tal alineación? Pequeño pero no cero dicen los astrónomos, y notan que la telaraña de cáusticos ayuda al extender una red. Además, cada cáustico es asimétrico, produciendo un aumento brusco a la ampliación completa si una estrella se acerca por un lado, pero una subida mucho más lenta si se acerca por el otro lado.
"Dependiendo de qué lado del cáustico se acerque, una primera estrella brillaría en horas, o varios meses, "Explicó Windhorst." Luego, después de alcanzar un brillo máximo durante varias semanas, se desvanecería de nuevo, ya sea lenta o rápidamente, a medida que se aleja de la línea cáustica ".
Un atributo clave de las primeras estrellas es que se formaron a partir de la mezcla de hidrógeno y helio del universo temprano sin elementos químicos más pesados como el carbono. oxígeno, planchar, u oro. Ardientemente caliente y brillantemente azul-blanco, las primeras estrellas muestran un espectro simple de libro de texto como una huella dactilar, calculado por el equipo de ASU utilizando el instrumento de software abierto Módulos para experimentos en astrofísica estelar.
Cuando los astrónomos trazan estrellas por temperatura y brillo, las estrellas se encuentran en varias regiones del diagrama; la mayoría se encuentran a lo largo de la secuencia principal. El sol, en la parte inferior derecha, tiene una vida útil de aproximadamente 6.400 millones de años (Gyr). La primera generación de estrellas son extremadamente calientes y crecen antes de explotar como supernovas después de solo unos pocos millones de años (Myr). Crédito:Universidad Estatal de Arizona / F. Timmes
Otro objeto potencialmente visible por el mismo efecto de aumento es un disco de acreción alrededor de los primeros agujeros negros que se formaron después del Big Bang. Los agujeros negros serían el resultado evolutivo final de las primeras estrellas más masivas. Y si alguna de esas estrellas estuviera en un sistema de dos estrellas (binario), la estrella más masiva, después de colapsar en un agujero negro, robaría gas de su compañero para formar un disco plano que se alimentaría en el agujero negro.
Un disco de acreción mostraría un espectro diferente al de una primera estrella cuando transita un cáustico, produciendo un brillo mejorado en longitudes de onda más cortas desde el calor, la parte más interna del disco en comparación con las zonas externas más frías del mismo. El aumento y la disminución del brillo también tomarían más tiempo, aunque este efecto probablemente sería más difícil de detectar.
Se espera que los discos de acreción sean más numerosos porque las primeras estrellas solitarias, siendo masivo y caliente, recorren sus vidas en solo unos pocos millones de años antes de explotar como supernovas. Sin embargo, La teoría sugiere que un disco de acreción en un sistema de agujeros negros podría brillar al menos diez veces más que una primera estrella solitaria. En igualdad de condiciones, esto aumentaría las probabilidades de detectar discos de acreción.
Son conjeturas fundamentadas en esta etapa, pero el equipo calcula que un programa de observación que apunta a varios cúmulos de galaxias un par de veces al año durante la vida útil del Telescopio Webb podría encontrar una primera estrella con lente o un disco de acreción de agujero negro. Los investigadores han seleccionado algunos grupos objetivo, incluidos los grupos Hubble Frontier Fields y el grupo conocido como "El Gordo".
"Solo tenemos que tener suerte y observar estos grupos el tiempo suficiente, ", Dijo Windhorst." La comunidad astronómica necesitaría continuar monitoreando estos cúmulos durante la vida de Webb ".
Este diagrama ilustra cómo los rayos de luz de una galaxia o estrella distante pueden ser desviados por la gravedad de un cúmulo de galaxias intermedio. Como resultado, un observador en la Tierra ve que el objeto distante parece más brillante de lo que se vería si no tuviera lentes gravitacionales. Crédito:NASA, ESA, y A. Feild y F. Summers (STScI)
Más allá de Webb
Lo que plantea un punto. Si bien el telescopio espacial Webb será una maravilla técnica, no tendrá una vida útil tan larga como el telescopio espacial Hubble. Lanzado en 1990, el telescopio Hubble está en órbita terrestre baja y ha sido revisado por astronautas cinco veces.
El telescopio espacial Webb, sin embargo, se colocará en un punto gravitacionalmente estable en el espacio interplanetario, 1,5 millones de kilómetros (930, 000 millas) de la Tierra. Ha sido diseñado para funcionar durante 5 a 10 años, que con cuidado podría extenderse a unos 15 años. Pero no hay ninguna disposición para el mantenimiento de los astronautas.
Respectivamente, Windhorst señala que ASU se ha unido a la Organización del Telescopio Gigante de Magallanes. Este es un consorcio de universidades e instituciones de investigación que construirá su telescopio homónimo en la cima de una montaña alta y seca en el Observatorio Las Campanas en Chile. El sitio es ideal para la observación infrarroja.
Una vez finalizado en 2026, el GMT tendrá una superficie de captación de luz de 24,5 metros (80 pies) de diámetro, construido a partir de siete espejos individuales. (El espejo principal del Telescopio Espacial Webb tiene 18 secciones y un diámetro total de 6,5 metros, o 21 pies.) Se espera que los espejos GMT alcancen un poder de resolución 10 veces mayor que el del Telescopio Espacial Hubble en la región infrarroja del espectro.
Habrá un período durante el cual el Telescopio Webb y el Telescopio Gigante de Magallanes estarán en funcionamiento.
"Estamos planeando hacer observaciones de estrellas de primera generación y otros objetos con los dos instrumentos, ", Dijo Windhorst." Esto nos permitirá realizar una calibración cruzada de los resultados de ambos ".
La superposición entre los dos telescopios es importante de otra manera, él dijo.
"La vida operativa del GMT continuará durante muchas décadas en el futuro. Esto es diferente al Telescopio Webb, que eventualmente se quedará sin combustible del propulsor para mantener su órbita en el espacio ".
Cuando eso pasa, el contacto con el telescopio Webb se perderá y su misión llegará a su fin.
Dijo Windhorst, "De una manera u otra, estamos seguros de que podemos detectar las primeras estrellas del universo ".
