La Estrella del Amanecer

Título Original: “JWST Imaging of Earendel, the Extremely Magnified Star at Redshift z = 6.2”
Autoras/es: Brian Welch, Dan Coe, Erik Zackrisson, et al.
Institución del primer autor: Center for Astrophysical Sciences, Department of Physics and Astronomy, The John Hopkins University, 3400 N Charles St. Baltimore, MD 21218, Estados Unidos.
Estado del artículo: Enviado a ApJ (Acceso abierto en arXiv: https://arxiv.org/pdf/2208.09007.pdf).

El Telescopio Espacial Hubble (HST) ha estado en el espacio por más de 30 años, y aun hace pocos meses fue noticia observando la estrella individual más lejana que se ha detectado hasta ahora. La estrella fue identificada como parte del “Reionization Lensing Cluster Survey” (RELICS), y su nombre oficial es WHL0137-LS, pero fue apodada “Earendel”, que significa “Estrella de la Mañana” o “Estrella del Amanecer” en anglosajón. 

Lentes Gravitacionales y el Universo lejano

Los cúmulos de galaxias masivos pueden “agrandar” el Universo lejano ya que funcionan como lentes gravitacionales, permitiendo la detección de pequeñas estructuras -como estrellas- en galaxias distantes. 

Esto es lo que sucede con Earendel: se encuentra en una galaxia apodada “Arco del Amanecer” (“Sunrise Arc”), que es la galaxia más aumentada a un  corrimiento al rojo (redshift) de z ~ 6. El efecto de lente gravitacional es debido a un cúmulo de galaxias a z = 0.566. La estrella Earendel tiene un corrimiento al rojo fotométrico de z ~ 6.2, es decir, este valor es una estimación que se realiza gracias a observaciones de la estrella en distintos filtros, en vez de su espectro. 

Observaciones con el Telescopio Espacial James Webb

Recientemente el Telescopio Espacial James Webb (JWST) terminó su fase de puesta en marcha y ha iniciado sus operaciones científicas (puedes leer más sobre JWST en este astrobito). Con JWST ya se han descubierto nuevas estrellas afectadas por lentes gravitacionales, pero además permitirá estudiar más detalladamente las estrellas más lejanas. La combinación de este telescopio y los lentes gravitacionales, es nuestra mejor oportunidad para eventualmente observar estrellas de Población III directamente (en este astrobito puedes leer más sobre ellas). Estas estrellas por ahora son sólo teóricas, y podrían corresponder a una primera generación de estrellas, nacidas a partir del material primordial del Big Bang, es decir, sólo tendrían Hidrógeno y Helio, y no tendrían otros elementos más pesados como las estrellas que conocemos hoy en día. 

Earendel es una de las estrellas que ya fue observada con JWST, y que se puede encontrar en la primera imagen que se publicó de este telescopio, la cual corresponde al campo profundo de JWST o SMACS 0723 (en este astrobito puedes ver las primeras imágenes obtenidas por JWST). El telescopio espacial posee una mejor resolución, y específicamente las observaciones fueron tomadas con el instrumento NIRCam en 8 filtros que abarcan un rango de longitud de onda de 0.8 a 5 micrones, durante 2.104 segundos de exposición en cada uno (ver Figura 1).

Figura 1: Imagen de JWST/NIRCam del “Arco del Amanecer” a z ~ 6.2, donde Earendel está indicada con la flecha blanca. Esta imagen a color tiene un tamaño de 15.2’’ x 12.4’’, y es una combinación de los 8 filtros en que se tomó la imagen, con una escala de 0.02’’ por pixel (Crédito: Figura 1 del artículo, adaptada).

Análisis Fotométrico 

A partir de los datos fotométricos, es decir, luego de obtener la magnitud de la estrella en distintos filtros y ajustar curvas de luz a estos datos, los y las autoras obtienen distintos resultados como por ejemplo cuántas estrellas componen el sistema estelar, la temperatura, la variabilidad y el aumento del objeto.

Inicialmente, las observaciones con JWST confirman la estimación del corrimiento al rojo fotométrico de z ~ 6.2 obtenido con las observaciones de HST, por lo que efectivamente Earendel sería una fuente estelar formada en los primeros mil millones de años del Universo, y por eso también fue apodada así, haciendo alusión a que el objeto se formó al “amanecer” del Universo. 

Según los y las autoras, los datos fotométricos de JWST no son bien modelados por ejemplo, con estrellas de baja masa, enanas cafés o planetas gigantes, sino que más bien por una estrella de tipo B de temperatura T ~ 13.000 – 16.000 K. También señalan que la metalicidad del sistema sólo tiene un impacto menor en el ajuste de los datos, y que tampoco se puede estimar con ellos.

Por otro lado, para obtener una estimación del aumento de Earendel, los y las autoras observan que este objeto es consistente con ser una fuente puntual en todos los filtros de JWST. Usando diferentes modelos, y también considerando que Earendel podría tratarse incluso de dos objetos puntuales, estiman que el aumento varía entre 6.000 y 35.000 veces, mientras que el límite inferior del aumento está dado por μ ≥ 4.000. Además, con este resultado y gracias a la mejor resolución dada por JWST, en el artículo también establecen un rango para el valor máximo del tamaño del plano de la fuente del objeto Earendel, el cual estaría dado por r < 0.005-0.2 pc (1000-4000 UA), dependiendo de los modelos utilizados. 

Respecto a la variabilidad que se esperaría de un objeto aumentado por lentes gravitacionales, en el artículo señalan que Earendel presenta poca variabilidad clara, lo que también podría indicar que hay más de una estrella en el sistema. Sin embargo, destacan que para entender mejor la variabilidad de esta fuente, se necesitarían observaciones con una mayor razón de señal al ruido (SNR). 

De todas formas, afirman que los datos tienen bastante incertidumbre como para descartar un sistema de una sola estrella, por lo que resulta “tentador” considerar que hay al menos dos estrellas contribuyendo a la distribución de energía espectral (SED, por su significado en inglés) observada (en este astrobito puedes leer más sobre la SED). Aunque los y las autoras también señalan que algunos de los filtros usados para observar esta fuente pueden ser afectados por líneas de emisión (como CIV 1549 en el filtro F115W, [OIII]5007 y Hβ en F277W, ó Hα en F444W), que pueden provenir de vientos alrededor del objeto, ó de una región HII producida por Earendel o por otras estrellas masivas cercanas. 

¿Dos estrellas?

Si Earendel estuviera conformado por dos estrellas, en el artículo estiman que una tendría una temperatura de unos T ~ 10.000 K (T ≤ 13.000 K), y la otra de T ~ 30.000 K (T ≥ 20.000 K) (ver Figura 2). Sin embargo, hay otros parámetros de las dos estrellas que aun no se ajustan bien, por lo que para poder confirmar que efectivamente hay dos estrellas, se necesitarían datos espectroscópicos.

Figura 2: Ajustes de distribuciones de energía espectral (SED) de las observaciones de Earendel con JWST/NIRCam. Los puntos negros corresponden a la magnitud en los distintos filtros en que se observó el objeto. Izquierda: Modelo de una sola estrella de temperatura efectiva Teff = 15.000 K, a z = 6.2. Derecha: Modelo usando dos estrellas a z = 6.2, donde la estrella más fría tiene Teff = 10.000 K, y la más caliente tiene Teff = 30.000 K. Los cuadros verdes corresponden al flujo integrado en cada filtro. (Crédito: Figura 3 del artículo, adaptada).

Los y las autoras concluyen que ambos modelos, el de una estrella y el de dos estrellas, se ajustan bien a las observaciones, y que además la probabilidad de que Earendel sea una estrella de Población III tampoco es despreciable, pero los datos fotométricos no son suficientes para llegar a una conclusión firme al respecto.

Se espera que los datos espectroscópicos tomados con NIRSpec, también a bordo de JWST, estén disponibles en Diciembre de 2022, y puedan ayudar a solucionar las discrepancias y ajustar mejor la temperatura y luminosidad de la o las estrellas. A pesar de que los datos fotométricos sean poco concluyentes, de todas maneras son una guía para las próximas observaciones espectroscópicas. Además, este objeto es una oportunidad única para estudiar estrellas masivas en los primeros mil millones de años del Universo.