¿Podrá Webb encontrar las primeras estrellas del universo?

Las primeras estrellas del universo desempeñaron un papel importante. Se formaron a partir de los elementos primordiales creados por el Big Bang, por lo que no contenían metales. A ellos les correspondía sintetizar los primeros metales y difundirlos en el universo cercano.

El JWST ha logrado algunos avances en la búsqueda de las galaxias más antiguas del universo. ¿Podrá tener el mismo éxito en la búsqueda de las primeras estrellas?

Encontrar las primeras galaxias del universo es una tarea extremadamente difícil y una de las principales motivaciones detrás de la construcción del JWST. La luz de estos objetos antiguos se desplaza al rojo hacia el infrarrojo, algo que el JWST destaca en la detección. Mediante observaciones de campo profundo en el infrarrojo, el telescopio espacial ha localizado algunas de las galaxias más antiguas.

Pero las primeras estrellas son más antiguas que las primeras galaxias. Las primeras estrellas se formaron aproximadamente entre 50 y 100 millones de años después del Big Bang, y su luz puso fin a la Edad Oscura del universo. Los astrofísicos creen que estas estrellas eran extremadamente grandes, con hasta 1.000 masas solares.

El nuevo estudio se titula «La detección y caracterización de estrellas altamente magnificadas con JWST: Perspectivas de encontrar la Población III». Se publicará en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society y actualmente está disponible en el servidor de preimpresión arXiv. El autor principal es Erik Zackrisson del Departamento de Física y Astronomía de la Universidad de Uppsala, Suecia.

«Debido a la falta de refrigerantes eficientes y a la fragmentación del gas químicamente no enriquecido en estas primeras épocas, se cree que las estrellas resultantes libres de metales (también conocidas como Población III) se caracterizan por masas extremadamente altas (masas características ~ 10-1000 masas solares). «, escriben los autores.

Para ver estas primeras estrellas masivas, el JWST necesitará ayuda de lentes gravitacionales. «Las lentes gravitacionales pueden hacer que estrellas individuales de gran masa sean detectables a distancias cosmológicas, y en los últimos años se han detectado varias estrellas extremadamente magnificadas con corrimientos al rojo z ~ 6», explican los autores. En z ~ 6, la luz ha tardado más de 12,7 mil millones de años luz en llegar hasta nosotros.

Las lentes gravitacionales aprovechan situaciones en las que un objeto masivo en primer plano, como un cúmulo de galaxias, se encuentra entre nosotros y un objeto que queremos observar. A medida que la luz del objetivo pasa por el objeto en primer plano (llamado lente gravitacional), la luz se magnifica. Eso hace visible el objeto que de otro modo sería invisible.

Las primeras estrellas tienen aproximadamente z=20 en términos de desplazamiento al rojo, y el JWST debería poder ver esa luz si puede utilizar lentes gravitacionales. Si puede, entonces el poderoso telescopio comenzará a brindarnos evidencia observacional de un período de tiempo en el universo temprano que hasta ahora entendemos principalmente a través de la teoría: la Época de Reionización (EoR).

Durante la EoR, el universo estuvo dominado por una densa y oscura niebla de gas hidrógeno. Cuando se formaron las primeras estrellas, su luz ultravioleta reionizó el gas, permitiendo que la luz viajara. Este es un paso crítico en la vida del universo, por lo que encontrar algunas de las antiguas estrellas Pop III que fueron responsables es un objetivo importante.

Estas primeras estrellas también son convincentes en otros sentidos y dieron forma a nuestro universo. Eran enormes, millones de veces más brillantes que el sol y vivieron poco tiempo en comparación con una estrella como nuestro sol. O explotaron como supernovas o colapsaron en agujeros negros. Los que se convirtieron en agujeros negros devoraron gas y otras estrellas y se convirtieron en los primeros quásares del universo. Los astrofísicos creen que estos quásares crecieron mediante acreción y fusiones hasta convertirse en agujeros negros supermasivos que anclan los centros de galaxias como nuestra Vía Láctea.

También jugaron un papel importante las que explotaron como supernovas. Forjaron elementos más pesados que el hidrógeno y el helio y luego los esparcieron nuevamente al espacio cuando explotaron. Las estrellas que vinieron después contenían algunos de estos metales, y los metales también formaron cuerpos rocosos. Antes de las supernovas de Población III, no había planetas rocosos y ciertamente no había posibilidad de vida. Entonces, estas estrellas antiguas y masivas, ya sea que terminaron como supernovas o agujeros negros, ayudaron a preparar el escenario para el universo que vemos hoy a nuestro alrededor.

Si el JWST tiene éxito, no habrá fotografías bonitas de estos ancestros estelares. En cambio, habrá datos. Desenredar esos datos y determinar si contienen estrellas Pop III es una tarea compleja. Este esfuerzo lleva al límite al telescopio espacial y a los científicos que trabajan con él.

Por un lado, es difícil determinar espectroscópicamente estrellas enriquecidas en metales a partir de estrellas Pop III pobres en metales. Una razón es que la mayoría de estas estrellas masivas probablemente estén en pares binarios, y eso complica la señal luminosa. Otra razón es que, si las estrellas son todavía relativamente jóvenes, pueden estar rodeadas de hidrógeno nebuloso, lo que también dificulta la interpretación de las señales luminosas.

Si el JWST puede encontrar algunas de estas estrellas, entonces el innovador telescopio, que ya ha sido un éxito asombroso, tendrá aún más éxito. Tanto él como las personas que lo operan están marcando metódicamente las casillas de su lista de objetivos científicos.

Con información de arXiv