CR7: Primera Evidencia Observacional de Estrellas Primordiales

• Título: Evidence for PopIII-like stellar populations in the most luminous Lyman-α emitters at the epoch of re-ionisation: spectroscopic confirmation.
• Autores: David Sobral, Jorryt Matthee, Behnam Darvish, Daniel Schaerer, Bahram Mobasher, Huub Röttgering, Sérgio Santos, Shoubaneh Hemmati.
• Institución del primer autor: Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço, Universidade de Lisboa, OAL, Tapada da Ajuda, PT1349-018 Lisbon, Portugal
• Estado del trabajo: Aceptado para publicación en ApJ.

La observación de objetos a alto redshift es crucial para la Astrofísica. Las inferencias que se pueden hacer a partir de los espectros de objetos lejanos – y, por consiguiente,  que viven en el Universo temprano – nos entregan diferentes tipos de información. Por ejemplo, nos hablan del período en el que estos objetos viven, y los procesos que ocurren en el Universo a esa altura. En el caso particular de las observaciones de galaxias, en los últimos años se han confirmado galaxias a redshift 6-7 aproximadamente (cuando el Universo tenía alrededor de 900-750 millones de años), con sólo una de ellas a redshift mayor que 8 (8.68, lo que corresponde a alrededor de 565 millones de años desde el Big Bang). Además de entregarnos información sobre el período en que viven estas galaxias (Reionización, tema del que hablamos en un artículo anterior), también nos pueden indicar la metalicidad de sus estrellas ¿Por qué es esto importante? Es lo que trataremos de aclarar en esta publicación.

En el artículo de hoy, los autores lograron observar espectroscópicamente dos galaxias, y encontraron que una de ellas presenta evidencia de una población estelar tipo III (más conocida como estrellas PopIII), que se cree son las primeras estrellas formadas. A pesar de los numerosos intentos, esta búsqueda había sido infructuosa, al parecer, hasta la aparición de este estudio.

Estrellas Primordiales

La metalicidad de una estrella, corresponde a la fracción de masa del objeto que es más pesada que el Hidrógeno y Helio. En términos astronómicos, lo que no es hidrógeno o helio, es llamado “metal”, término que usaremos de ahora en adelante. La teoría de evolución estelar más aceptada postula que existen tres grandes generaciones de estrellas: Población I, II, y III. Estos grupos estarían definidos por su metalicidad, lo que se relaciona con el tiempo en el que nacieron. Debido a que se ha encontrado que las estrellas más antiguas tienen menos metales, se cree que la metalicidad fue aumentando con el tiempo, a partir de la formación de las primeras estrellas.

Figura1: Impresión artística de las primeras estrellas. Estas estrellas son masivas y de corta vida. Su color azul nos indica su baja metalicidad. Crédito: NASA/WMAP Science Team.

Después del Big Bang, el Universo era básicamente helio e hidrógeno. Por consiguiente, las primeras estrellas en formarse (confusamente denominadas PopIII), corresponderían a estrellas extremadamente pobres en metales (es decir, básicamente compuestas de hidrógeno y helio), muy masivas y de altas temperaturas. En la Figura 1, podemos ver una representación artística de ellas. Estas estrellas se habrían formado cuando el Universo tenía aproximadamente 400 millones de años, y habrían agotado rápidamente su combustible y explotado como supernovas, enriqueciendo el medio a su alrededor. Las estrellas crean elementos más “pesados” durante el proceso de nucleosíntesis estelar, por lo que al explotar, expelen estos metales al medio en el que viven. De esta manera, la segunda generación de estrellas (PopII) ya tendría algunos metales, y la tercera generación (PopI), correspondería a estrellas enriquecidas en términos de metalicidad.

Encontrar estas estrellas ha sido de gran interés, desde su postulación en 1979, para confirmar la teoría de formación estelar. Sin embargo, los esfuerzos han sido infructuosos, y sólo se han encontrado estrellas PopII con muy baja metalicidad.

Candidatos

Los autores del artículo observaron 2 galaxias para llevar a cabo el estudio. Estas galaxias fueron identificadas inicialmente en un survey dedicado a buscar galaxias luminosas con emisión de Lyman-α. Como explicamos en un artículo previo, en los espectros de galaxias, esta línea indica que la emisión ultravioleta de estrellas nuevas ha aumentado la temperatura del gas de hidrógeno, y es normalmente un indicador de formación estelar. Esta es una línea que representa una transición resonante, por lo que es absorbida por la presencia de gas en estado neutral, impidiendo su observación.

La complicación de observar esta línea  viene del hecho de que el medio, a redshift mayor que 6, no estaba completamente ionizado. Y, por lo explicado anteriormente, esta línea sólo se observa si el medio en el que esa galaxia está inmerso, está ionizado. De hecho, numerosos esfuerzos se han realizado para confirmar espectroscópicamente galaxias en esta época, siendo muchos de ellos infructuosos. No sólo porque puede ser que la línea no exista (no sabemos aún en qué porcentaje de galaxias se encuentra presente), sino también porque puede estar inmersa en un ambiente aún no ionizado, lo que hace imposible su detección.

Figura 2: Posición projectada en el cielo de los candidatos a galaxias con emisión Lyman alfa en el survey. Los puntos rojos son los observados en este estudio. El tamaño en el gráfico es proporcional a su luminosidad. (Figura 1 del artículo).

Los autores observaron 2 de las más brillantes de estas galaxias, esto debido a que se cree que es más probable que las galaxias más luminosas sean un indicador de un medio ionizado alrededor de ellas, lo que significa que es más probable que la línea Ly-α sea observada. En la Figura 2 observamos estos candidatos. Los 2 objetos en rojo fueron los observados espectroscópicamente para este estudio. Los distintos tamaños de los objetos en el gráfico escalan con su luminosidad, por lo que podemos ver que MASOSA y CR7 (los objetos de este estudio), corresponden a los más brillantes.

Ambas galaxias fueron observadas con el telescopio VLT (CR7 fue observado con los instrumentos X-SHOOTER y SINFONI, mientras que para MASOSA se usó DEIMOS) y en Keck con el instrumento DEIMOS. Ambos objetos mostraron emisión de Ly-α, lo que en sí ya es interesante. Con esta línea se pudo confirmar que MASOSA está a un redshift de 6.541, mientras que CR7 está a un redshift de 6.604. En este artículo, hablaremos sólo de CR7, ya que es el objeto que mostró lo más interesante.

CR7

El acrónimo CR7 viene de COSMOS Redshift 7 (y sí, es inspirado en el futbolista). Esta galaxia, hasta ahora, es la fuente más luminosa en la época de Reionización. Además de esto, es un objeto bastante extendido. En su espectro se observaron las líneas de emisión Ly-α y HeII, y también presenta un exceso de color azul hacia el lado ultra-violeta del espectro, y detección en el infra-rojo. Para explicar estas características del espectro, los autores examinan distintas posibilidades. Las tres primeras son:

1. Un AGN (Núcleo de Galaxia Activo, por sus siglas en inglés) poderoso.
2. Estrellas Wolf-Rayet.
3. Colapso directo de un agujero negro.
4. Estrellas de población estelar III.

Figura 3: Impresión artística de CR7. Como se puede observar, existen dos tipos de poblaciones estelares (PopII y PopIII), que están representadas por los colores rojo y azul. Crédito: ESO/m. Kornmesser.

Las tres primeras son estudiadas en detalle y descartadas por ser poco probables, o por no mostrar otros indicios de dichos fenómenos. La teoría que mejor calza es la de estrellas PopIII, lo que significaría la primera detección de este tipo de estrellas, ¡descubrimiento largamente esperado! Sin embargo, la detección en el infra-rojo nos dice que no sólo hay de este tipo de estrellas, sino también cúmulos de estrellas pobres en metales, tipo II, es decir, estrellas que ya han sido formadas con elementos más enriquecidos. Esto es aún más interesante, ya que coincide con las teorías que predicen la formación de estrellas de población III en “olas”. Estas estrellas explicarían el exceso en el azul y las líneas de emisión, mientras que las estrellas PopII explicarían la emisión en el infra-rojo. La observación de estas dos poblaciones coincide con lo observado con el telescopio espacial Hubble, que muestra distintos componentes en la galaxia. En la Figura 3 se puede apreciar una impresión artística de esta galaxia con sus 2 poblaciones.

Además de lo interesante de la posible detección de estrellas PopIII por primera vez, lo que concuerda con la teoría de evolución estelar, esta galaxia nos trae buenas noticias: su descubrimiento implica que las estrellas de población III no son tan difíciles de encontrar como se pensó en un principio. No sólo residen en las galaxias más pequeñas, débiles, y difíciles de observar, sino también en galaxias tan brillantes como CR7.