Anillos de polvo en sistema estelar binario serían responsables de la formación de nuevas estrellas y planetas

Cuando el Telescopio Espacial James Webb (JWST) de la NASA, en colaboración con la Agencia Espacial Europea (ESA) y la Agencia Espacial Canadiense (CSA), se lanzó el 25 de diciembre de 2021, un grupo particular de personas observó su lanzamiento con más emoción que la mayoría: los astrónomos que fueron los primeros en probar las capacidades de este flamante observatorio, entre ellos el impresionante grupo de científicos de NOIRLab de NSF.

Entre estos científicos se encontraba Ryan Lau, un astrónomo de NOIRLab de NSF que estudia cómo los eventos astronómicos explosivos pueden enriquecer el espacio entre las estrellas con polvo, lo que finalmente resulta en la creación de nuevas estrellas y planetas. Su equipo publicó un artículo en la revista Nature Astronomy sobre uno de los primeros resultados del JWST, añadiendo una pieza crucial a este rompecabezas cósmico.

La importancia de esta observación ha sido extensa para Lau, que pensó por primera vez en solicitar tiempo de observación con el JWST en 2016, cuando hacía un postdoctorado en Caltech. Lau se había interesado por un grupo de objetos celestes llamados estrellas de Wolf-Rayet (WR), que consisten en enormes estrellas con al menos 25 veces la masa de nuestro Sol que están cerca del final de su vida. Durante su danza celestial, estos objetos producen más calor y energía que casi todas las demás estrellas del Universo. Sus temperaturas superficiales extremas también generan poderosos vientos estelares, que expulsan enormes cantidades de gas al espacio.

Lo que captó el interés de Lau fue que varias de estas estrellas pueden observarse en escalas de tiempo humanas, un fenómeno conocido como astronomía en el dominio del tiempo. Este fenómeno es poco frecuente en la astronomía, que se ocupa de escalas de tiempo tan grandes que, para los seres humanos, el cielo y sus estrellas parecen casi inalterables año tras año.

Las dos estrellas de Wolf-Rayet 140 (que se muestran aquí) producen caparazones de polvo cada ocho años que parecen anillos, como se ve en esta imagen del Telescopio Espacial James Webb de la NASA. Cada anillo se formó cuando las dos estrellas se acercaron y sus vientos estelares chocaron contra ellas, comprimiendo el gas y formando polvo.

Credit: NASA, ESA, CSA, STScI, JPL-Caltech

La astronomía en el dominio del tiempo –que incluye las estrellas WR– produce imágenes dinámicas y cautivadoras. En particular, las estrellas WR (que forman parte de un sistema estelar binario) suelen crear patrones de polvo únicos a medida que los fuertes vientos estelares chocan con las estrellas en órbita, haciendo que los átomos de carbono y oxígeno se combinen con granos de polvo de tamaño microscópico.

Y fue uno de estos sistemas que Lau decidió que sería un buen objetivo inicial para el JWST. Se trata de WR 140, una binaria con una estrella WR que parece haber perdido más de la mitad de su masa original. WR 140 es un ejemplo bien estudiado de estas estrellas binarias Wolf-Rayet que forman polvo por choque de vientos estelares, y ha sido observada durante décadas en casi todas las longitudes de onda, desde los rayos X hasta las ondas de radio.

Esto significa que los astrónomos disponen hoy de un amplio archivo de información que les ayuda a interpretar las nuevas observaciones. “Es como un prototipo de estos sistemas de formación de polvo… Si podemos entender esta estrella, podremos extrapolar ese conocimiento para entender otras poblaciones de este tipo de estrellas”, explicó Lau.

Además de ser un modelo bien establecido, WR 140 tiene una característica notable que la distingue de otros objetos similares: una serie de anillos de polvo (similar a las ondas que se forman al lanzar una piedra a un estanque) que parecen emanar de este sistema binario. Estos anillos fueron observados anteriormente, incluso por el telescopio Gemini Norte de NOIRLab, que capturó imágenes infrarrojas de un anillo de polvo alrededor de WR 140 en 2003.

El particular patrón de los anillos de este sistema se debe a su peculiar órbita. La mayoría de las estrellas binarias WR orbitan a una distancia constante y producen polvo continuamente. Sin embargo, WR 140 tiene una órbita alargada en la que las dos estrellas se separan y vuelven a juntarse cada ocho años. Sólo cuando estas estrellas se acercan generan un estallido de polvo, creando un patrón de anillos concéntricos, cada uno correspondiendo a un período orbital.

Dado que las estrellas de WR se encuentran entre las más calientes y luminosas del Universo, el entorno que las rodea es muy hostil, por lo que se pensaba que el polvo que forman podría destruirse con la misma rapidez. Sin embargo, la imagen del JWST sugiere que las partículas de polvo pueden sobrevivir su entorno hostil y enriquecerlo para crear nuevas estrellas y planetas.

Para los astrónomos, es emocionante ver cómo el polvo cambia de aspecto con el tiempo, a medida que se expande. Esto significa que las observaciones repetidas son de gran utilidad, especialmente cuando se estudian en combinación con otras anteriores, como las tomadas por Gemini Norte en 2003, porque los científicos pueden ver cómo han cambiado las propiedades de un anillo de polvo de una captura a otra.

Así que en el año 2016, Lau reunió a un grupo de colegas interesados en el tema y juntos desarrollaron y presentaron una propuesta al programa de Ciencia Temprana (ERS, por sus siglas en inglés) del JWST, un programa diseñado para educar a la comunidad científica sobre las capacidades del telescopio, con todos los datos que se publican de forma inmediata.

Lau trató de no hacerse ilusiones, dado lo innovador que iba a ser este esperado telescopio. La competencia para conseguir tiempo de observación en telescopios bien consolidados puede ser complicada, pero la competencia por el tiempo de observación en el JWST sería monumental y se daría sólo a las propuestas más convincentes. Eso hizo que fuera aún más emocionante cuando se enteró a finales de 2017 de que su equipo era uno de los 13 seleccionados. “Fue una experiencia bastante surrealista que nos dijeran que nuestra propuesta había sido aceptada y que íbamos a conseguir estas observaciones, algunas de las primeras tomadas por el JWST”, recuerda.

Tras el revuelo inicial, hubo una larga espera mientras el JWST se sometía a todas las pruebas antes de su lanzamiento, pero Lau descubrió que los años intermedios fueron muy valiosos, ya que les dieron a él y a su equipo mucho tiempo para prepararse y tener listo su software de análisis de datos. “En parte, por eso pudimos publicar el artículo con tanta rapidez”, explicó.

En julio de 2022, unos cinco años después de ser seleccionados, el equipo recibió sus observaciones, incluyendo las imágenes de lo que los investigadores llaman “caparazones” o anillos de polvo anidados uno dentro del otro. “Al principio no entendía muy bien lo que estaba viendo”, recuerda Lau, “porque se veía muy extraño, casi como si algo se hubiera estropeado o como si algún artefacto causara estas caparazones. Pero lo habíamos estudiado durante los últimos cinco años y los patrones mostraban exactamente la misma estructura, así que después de 10 segundos me dije 'oh, vaya, esto tiene que ser real'”.

Lo que causó la incredulidad de Lau al principio fue el gran número de caparazones visibles. En observaciones anteriores de WR 140, lo máximo que se había visto eran dos, y aunque los astrónomos sabían que el JWST vería más que esa cantidad, no estaban preparados para saber cuántas más. “Pensábamos que veríamos unos 8 anillos de polvo, pero vimos al menos 17, más del doble de lo que esperábamos. Nos sorprendió mucho. Fue increíble ver la gran sensibilidad que tiene el JWST y también la clara separación que tienen los anillos entre sí”, cuenta Lau.

Los nuevos datos aportan dos nuevos conocimientos científicos sobre estas estrellas y el papel que desempeñan en el Universo. En primer lugar, los datos espectroscópicos —que detectan las longitudes de onda de la luz emitida por el polvo— muestran que los anillos son ricos en carbono. Esto era difícil de investigar antes debido a la dificultad de separar la luz emitida por el polvo de la luz central de la estrella.

Pero con la sensibilidad y el gran poder de resolución del JWST, Lau y su equipo identificaron que las caparazones de polvo contienen las señales de las moléculas de carbono llamadas hidrocarburos aromáticos policíclicos. Estas moléculas se han encontrado antes en otras estrellas, pero esto ha proporcionado la evidencia más directa de que también están presentes en el polvo de una estrella de Wolf-Rayet.

Si podemos entender esta estrella, podremos extrapolar ese conocimiento para entender otras poblaciones de este tipo de estrellas.

En segundo lugar, el gran número de caparazones visibles en las imágenes indica que estos granos de polvo pueden sobrevivir para enriquecer el medio interestelar, una idea que anteriormente habían puesto en duda otros astrónomos. Dado que las estrellas de WR se encuentran entre las más calientes y luminosas del Universo, el entorno que las rodea es muy hostil, por lo que se pensaba que el polvo que forman podría destruirse con la misma rapidez. Sin embargo, la imagen del JWST sugiere que las partículas de polvo pueden sobrevivir su entorno hostil y enriquecerlo para crear nuevas estrellas y planetas.

Este gráfico muestra el tamaño relativo del Sol (arriba a la izquierda) en comparación con las dos estrellas del sistema conocido como Wolf-Rayet 140. Esta es una estrella de tipo O que tiene aproximadamente 30 veces la masa de nuestro Sol, mientras que su compañera tiene aproximadamente 10 veces la masa del Sol.

Credit: NASA/JPL-Caltech

“Juntando estas dos cosas, es una buena confirmación de que las estrellas de WR son una fuente de compuestos orgánicos importantes en la formación de futuras estrellas”, explicó Lau. “El panorama general es que las estrellas enriquecen el medio interestelar y éste pasa a formar futuras estrellas y planetas. Sin embargo, aún queda por comprender las fuentes exactas de ese enriquecimiento. Estas observaciones muestran que las estrellas de WR deben considerarse como fuentes de abundancia química”.

Esto es un descubrimiento importante, señaló Lau, pero aún podrían surgir más ideas fascinantes del tiempo de observación del JWST por parte del equipo. El primer artículo científico del equipo sólo analiza la mitad de los datos que recibieron en julio. Utilizando otro instrumento del JWST, Lau y sus colegas también observaron la región interna de formación de polvo alrededor de otra binaria de WR, y ahora están procesando esos datos e intentando comprender lo que están viendo.

Más allá de eso, Lau comenta que hay mucho más trabajo por hacer en busca de otras fuentes potenciales de enriquecimiento químico. Tiene especial curiosidad por la posibilidad de que una gama más amplia de estrellas –no sólo las de WR– estén expulsando polvo de forma similar, sólo que aún no se han observado. Lau comparte: “Me interesa investigar otras fuentes infrarrojas eruptivas y estudiarlas con el JWST y con las instalaciones de NOIRLab”.

Estas posibilidades futuras se relacionan con su trabajo en NOIRLab, donde parte de su rol es pertenecer al equipo de vinculación comunitaria en el próximo Observatorio Vera C. Rubin, cuya primera luz está prevista para el 2024. Este nuevo observatorio transformará la capacidad de realizar exploraciones profundas en busca de eventos transitorios e identificar los más interesantes para su estudio, demostrando la sinergia actual entre la astronomía terrestre y la espacial.

Aunque Lau está a la espera de ver qué más encuentra en futuras observaciones, nunca olvidará haber sido una de las primeras personas en observar el Universo con el JWST. “Es increíble pensar que estás viendo algo completamente nuevo”, comentó. “Esta será una experiencia que llevaré conmigo durante toda mi vida”.