Mirar la mitad del universo observable y esperar ver estrellas individuales se considera un fracaso en astronomía, muy parecido a levantar un par de binoculares con la esperanza de detectar granos de polvo individuales en un cráter lunar. Sin embargo, gracias a un estímulo cósmico de la naturaleza, un equipo internacional dirigido por astrónomos del Observatorio Steward de la Universidad de Arizona ha hecho 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 detectó una gran cantidad de estrellas individuales, visibles gracias a lentes gravitacionales y un efecto conocido como alto poder de captación de luz del JWST.
Publicado en la revista Nature Astronomy, el descubrimiento marca un logro récord: el mayor número de estrellas individuales jamás detectado en el universo distante. 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 miles de millones de estrellas. En galaxias cercanas, como la galaxia de Andrómeda, los astrónomos pueden observar estrellas individuales. Sin embargo, en las galaxias a miles de millones de años luz de distancia, las estrellas aparecen 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 que estudian cómo se forman y evolucionan las galaxias.
“Para nosotros, las galaxias muy distantes generalmente parecen una masa difusa y borrosa”, dijo Yoshinobu Fudamoto, profesor asistente en la Universidad de Chiba en Japón y académico visitante en el Observatorio Steward. “Pero en realidad, hay muchísimas estrellas individuales en esas manchas. Simplemente no podemos resolverlas con nuestros telescopios”.
Los recientes avances en astronomía han abierto nuevas posibilidades con las lentes gravitacionales, un efecto de aumento natural causado por el fuerte campo gravitacional de los objetos masivos. Como predijo Albert Einstein, las lentes gravitacionales podrían amplificar la luz de estrellas distantes en un factor de cientos o incluso miles, haciéndolas detectables con instrumentos sensibles como JWST.
“Estas búsquedas normalmente se limitaban 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 en Yu, es ahora investigador postdoctoral en el Centro de Astrofísica. Harvard y Smithsonian, se topó con semejante tesoro de estrellas cuando inspeccionaba imágenes del JWST de una galaxia conocida como Dragon Arc, ubicada a lo largo de la línea de visión desde la Tierra detrás de un enorme cúmulo de galaxias llamado Abel 370. Un efecto debido a su lente gravitacional, Abell 370 extiende la firma del Arco del Dragón en una espiral alargada, como una sala de espejos de proporciones cósmicas.
En diciembre de 2022 y 2023, JWST obtuvo dos imágenes del Dragon Arc. En estas imágenes, los astrónomos contaron 44 estrellas individuales cuyo brillo cambió con el tiempo debido a variaciones en el paisaje de lentes gravitacionales.
“Este descubrimiento revolucionario muestra por primera vez que es posible estudiar un gran número de estrellas individuales en galaxias distantes”, dijo Sun, siempre que la naturaleza eche una mano.
Sin embargo, incluso el muy fuerte aumento gravitacional de un cúmulo de galaxias no es suficiente para magnificar estrellas individuales incluso en galaxias distantes. En este caso, el descubrimiento fue posible gracias a una perfecta alineación de “estrellas de la suerte”.
“Dentro de los cúmulos de galaxias, hay muchas estrellas flotando que no están unidas por ninguna galaxia”, dijo el coautor Eiichi Egami, profesor de investigación en el Observatorio Steward. “Cuando uno de ellos pasa por delante de una estrella de fondo en una galaxia distante a lo largo de la línea de visión hacia la Tierra, actúa como una microlente, además del efecto de macrolente de todo el cúmulo de galaxias”.
Los efectos combinados de la macrolente y la microlente aumentan drásticamente el factor de magnificación, lo que permite al JWST seleccionar estrellas individuales que de otro modo estarían demasiado distantes e indetectables.
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 estos “telescopios” naturales cambia poco en cortos períodos de tiempo, desde unos pocos días hasta una semana. Cuando están perfectamente alineadas, las estrellas distantes aumentan dramáticamente en brillo y aumento, para desvanecerse nuevamente momentos después.
“Al observar la misma galaxia varias veces, podemos ver estrellas en galaxias distantes que parecen aparecer y desaparecer”, dijo Fudamoto. “Esto es el resultado de diferentes aumentos efectivos de los efectos de macro y microlente a medida que las estrellas con microlente entran y salen del campo de visión”.
El equipo de investigación analizó cuidadosamente el color de cada estrella dentro del Arco del Dragón y descubrió que muchas son supergigantes rojas, como Betelgeuse en la constelación de Orión, que se encuentran al final de sus vidas. Esto contrasta con descubrimientos anteriores, que identificaron principalmente “supergigantes” azules como Rigel y Deneb, que se encuentran entre las estrellas más brillantes del cielo nocturno. Según los investigadores, esta diferencia en los tipos estelares también resalta el poder único de las observaciones JWST en longitudes de onda infrarrojas que pueden detectar estrellas a bajas temperaturas.
Se espera que futuras observaciones del JWST capturen estrellas más extendidas en la 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 estructura de las lentes gravitacionales e incluso arrojar luz sobre la naturaleza esquiva de la materia oscura.
Este proyecto fue apoyado por múltiples fondos, incluidos la NASA y la NSF.