Astrónomos hallan una estrella que es una reliquia de la formación del Universo

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Astrónomos descubrieron una de las estrellas químicamente más primitivas jamás identificadas: una antigua reliquia estelar que conserva la huella química de las primeras estrellas del Universo. La estrella, denominada PicII-503, se encuentra en la diminuta y ultra tenue galaxia enana Pictor II. El descubrimiento fue posible gracias a la Cámara de Energía Oscura ( DECam), fabricada por el Departamento de Energía de EE. UU. y montada en el Telescopio Víctor M. Blanco de 4 metros de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. (NSF), ubicada en el Observatorio Interamericano Cerro Tololo (CTIO) de la National Science Foundation en Chile, un Programa de NOIRLab de la NSF.

Esta imagen muestra estrellas en la galaxia enana ultra tenue Pictor II. Pictor II es una galaxia satélite de la Gran Nube de Magallanes, que a su vez es una galaxia satélite de la Vía Láctea, y se encuentra en la constelación de Pictor. El sistema está formado por varios miles de estrellas y tiene más de diez mil millones de años. Crédito de la imagen: CTIO/NOIRLab/DOE/NSF/AURA. Procesamiento de imagen: T.A. Rector (University of Alaska Anchorage/NSF NOIRLab), M. Zamani & D. de Martin (NSF NOIRLab) Agradecimiento: PI: Anirudh Chiti, Alex Drlica-Wagner

La galaxia Pictor II se encuentra en la constelación de Pictor, contiene varios miles de estrellas y tiene más de diez mil millones de años. PicII-503 se encuentra en las afueras de la galaxia y contiene menos hierro que cualquier otra estrella medida hasta ahora fuera de la Vía Láctea y, además, presenta una sobreabundancia extrema de carbono. Estas características coinciden de forma inequívoca con las de las estrellas ricas en carbono observadas en los confines de la Vía Láctea, cuyos orígenes han sido, hasta ahora, un misterio.

El estudio fue dirigido por Anirudh Chiti, becario del Premio Brinson en la Universidad de Stanford, y los resultados se presentaron en un artículo publicado en la revista Nature Astronomy.

La imagen con anotaciones e indicaciones de las posiciones de Picto II y de PicII-503 muestra estrellas en la galaxia enana ultra tenue Pictor II. Pictor II es una galaxia satélite de la Gran Nube de Magallanes, que a su vez es una galaxia satélite de la Vía Láctea, y se encuentra en la constelación de Pictor. El sistema está formado por varios miles de estrellas y tiene más de diez mil millones de años. Créditos de la imagen: CTIO/NOIRLab/DOE/NSF/AURA. Procesamiento de imagen: T.A. Rector (University of Alaska Anchorage/NSF NOIRLab), M. Zamani & D. de Martin (NSF NOIRLab). Agradecimientos: PI: Anirudh Chiti, Alex Drlica-Wagner

Estrellas muy antiguas
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Las primeras estrellas del Universo se formaron a partir de gas que contenía únicamente los elementos más simples: hidrógeno y helio. En sus núcleos extremadamente ardientes, esta primera generación de estrellas creó los primeros elementos más pesados que el helio —como el carbono y el hierro—, a los que los astrónomos se refieren como “metales”. Cuando estas estrellas explotaron como supernovas, liberaron esos elementos pesados al medio interestelar, donde más tarde serían reciclados para la siguiente generación de estrellas.

En tanto, las estrellas de segunda generación funcionan como cápsulas del tiempo: conservan las pequeñas cantidades de elementos pesados liberados durante la muerte explosiva de las primeras estrellas. Al buscar estas estrellas raras de baja metalicidad y estudiar su composición química, los científicos pueden comprender mejor cómo comenzó la producción de elementos en el Universo.

Esta imagen muestra la estrella PicII-503, que tiene el contenido de hierro más bajo jamás medido fuera de la Vía Láctea. Créditos de la imagen: CTIO/NOIRLab/DOE/NSF/AURA. Procesamiento de imagen: T.A. Rector (University of Alaska Anchorage/NSF NOIRLab), M. Zamani & D. de Martin (NSF NOIRLab). Agradecimientos: PI: Anirudh Chiti, Alex Drlica-Wagner

En el sitio web de NOIRLab se informó hoy que PicII-503 es el primer ejemplo inequívoco de una estrella de segunda generación en una galaxia enana ultra tenue. Fue identificada en los datos del estudio MAGIC (DECam Mapping the Ancient Galaxy in CaHK), un programa de observación de 54 noches diseñado para identificar las estrellas más antiguas y químicamente primitivas de la Vía Láctea y sus galaxias enanas compañeras. Gracias a un filtro de banda estrecha especializado, sensible a las características de absorción del calcio, los astrónomos pudieron estimar el contenido de metales de miles de estrellas utilizando únicamente datos de imágenes.

¿Cómo se llegó a PicII-503?
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En esta espectacular imagen nocturna, la Vía Láctea corona e ilumina el domo del telescopio Víctor Blanco de 4 metros en el Observatorio Interamericano de Cerro Tololo (CTIO),en Chile. El Telescopio Blanco comenzó a operar en 1976, proporcionando a los astrónomos un observatorio de clase mundial en el hemisferio Sur. Hoy en día, el Blanco continúa produciendo ciencia de vanguardia, ya que está equipado con la denominada Cámara de Energía Oscura (DECam por sus siglas en inglés). Se trata de una cámara de última generación, de 500 megapíxeles, que a principios de 2019 completó el Sondeo de Energía Oscura, de cinco años de duración. DECam continúa con una misión ampliada y proporciona a los astrónomos una herramienta poderosa para estudiar la energía oscura, planetas extra solares y más allá. Créditos de la imagen: CTIO/NOIRLab/NSF/AURA/D. Munizaga

Entre los cientos de estrellas cercanas a Pictor II, los datos de MAGIC señalaron a PicII-503 como una candidata excepcionalmente pobre en metales, lo que permitió a los investigadores seleccionarla para un estudio de seguimiento detallado. “Sin los datos de MAGIC, habría sido imposible aislar esta estrella entre los cientos que se encuentran en las proximidades de la galaxia enana ultra tenue Pictor II”, explicó Chiti.

La Cámara de Energía Oscura (DECam) está montada en el Telescopio Víctor M. Blanco de 4 metros, en el Observatorio Inter-Americano de Cerro Tololo (CTIO) en el área centro-norte de Chile. La construcción del telescopio comenzó en 1969 con la fundición del espejo primario. El montaje en la cima de Cerro Tololo finalizó en 1974. Una vez que finalizó la construcción se convirtió en el tercer telescopio más grande en el mundo, detrás del telescopio Hale de 200” en el Observatorio Palomar en California, y del BTA-6, ubicado al Sur de Rusia, y el más grande en el Hemisferio Sur (un título que sostuvo por 22 años). Posteriormente fue renombrado en 1995 en honor a Víctor M. Blanco, astrónomo puertorriqueño y ex director de CTIO. Créditos de la imagen: CTIO/NOIRLab/DOE/NSF/AURA/R. Hahn (Fermi National Accelerator Laboratory)

Al combinar los datos de MAGIC, con observaciones del Telescopio Magallanes/Baade y el Very Large Telescope del Observatorio Europeo Austral (ESO por European Southern Observatory), el equipo descubrió que PicII-503 posee las abundancias de hierro y calcio más bajas jamás medidas fuera de la Vía Láctea. Esta extrema escasez de hierro y calcio la convierte en el primer objeto que conserva claramente el enriquecimiento producido por las primeras estrellas en una galaxia enana reliquia.

“Descubrir una estrella que conserve inequívocamente los metales pesados producidos por las primeras estrellas estaba al límite de lo que creíamos posible, dada la extrema rareza de estos objetos”, afirmó Chiti. “Con la menor abundancia de hierro jamás medida en una galaxia enana ultra tenue, PicII-503 ofrece una ventana sin precedentes a la producción inicial de elementos dentro de un sistema primordial”.

Fotografía de la constelación de Pictor con anotaciones de la Unión Astronómica Internacional (IAU) y de la revista Sky & Telescope. Créditos: E. Slawik/NOIRLab/NSF/AURA/M. Zamani

Aún más notable es que el equipo descubrió que PicII-503 tiene una relación carbono-hierro más de 1.500 veces mayor que la del Sol. *Esta sobreabundancia coincide con la característica firma de carbono observada desde hace tiempo en las estrellas con bajo contenido en hierro del halo de la Vía Láctea. Estos antiguos soles se conocen como estrellas pobres en metales y ricas en carbono, y su origen ha permanecido desconocido hasta ahora.

Una hipótesis plantea que este tipo de estrellas pobres en metales y ricas en carbono son estrellas de segunda generación que conservan los elementos químicos producidos por supernovas de baja energía de estrellas de primera generación. En este proceso, los elementos pesados que se forman cerca del interior de la estrella —como el hierro— caen de nuevo hacia el objeto compacto remanente, mientras que los elementos más ligeros presentes en las capas externas —como el carbono— son expulsados al medio interestelar, donde contribuyen a la formación de la siguiente generación de estrellas.

PicII-503 respalda la explicación de las supernovas de baja energía porque se encuentra en una de las galaxias enanas más pequeñas conocidas. Si la supernova responsable de los metales presentes en PicII-503 hubiera sido de alta energía, estos elementos habrían escapado de la gravedad de la pequeña galaxia enana Pictor II. Además, PicII-503 sugiere que las estrellas pobres en metales y ricas en carbono observadas en el halo de la Vía Láctea probablemente se originaron en antiguas galaxias enanas reliquia que, con el tiempo, terminaron fusionándose con la galaxia que habitamos.

“Lo que más me entusiasma es que hemos observado el resultado de la producción de elementos más primitiva en una galaxia primordial, ¡es una observación fundamental!”, señaló Chiti. “Además, encaja perfectamente con la firma química que vemos en las estrellas con menor metalicidad del halo de la Vía Láctea, lo que conecta su origen con el enriquecimiento producido por las primeras estrellas de estos objetos”, añadió.

“Descubrimientos como este son una forma de arqueología cósmica, que desentierra fósiles estelares poco comunes que conservan las huellas de las primeras estrellas del Universo”**, afirmó Chris Davis, Director del Programa de NSF para NOIRLab. “Esperamos muchos más descubrimientos cuando comience este año la Investigación del Espacio-Tiempo como Legado para la posteridad del Observatorio Rubin de NSF-DOE”.

PicII-503 ofrece una visión directa y excepcional del primer capítulo de la evolución química del Universo, un momento clave que finalmente sentó las bases para la formación de planetas, la química y la vida misma. También ayuda a conectar antiguos misterios sobre las estrellas más viejas de la Vía Láctea con sus orígenes en galaxias enanas primordiales.

Cita
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El estudio Enrichment by the first stars in a relic dwarf galaxy (Enriquecimiento por las primeras estrellas en una galaxia enana reliquia) fue publicado en la revista Nature Astronomy. Autores: Anirudh Chiti, Vinicius M. Placco, Andrew B. Pace, Alexander P. Ji, Deepthi S. Prabhu, William Cerny, Guilherme Limberg, Guy S. Stringfellow, Alex Drlica-Wagner, Kaia R. Atzberger, Yumi Choi, Denija Crnojević, Peter S. Ferguson, Nitya Kallivayalil, Noelia E. D. Noël, Alexander H. Riley, David J. Sand, Joshua D. Simon, Alistair R. Walker, Clecio R. Bom, Julio A. Carballo-Bello, David J. James, Clara E. Martínez-Vázquez, Gustavo E. Medina & A. Katherina Vivas
El artículo Extremely Rare Second-Generation Star Discovered Inside Ancient Relic Dwarf Galaxy fue publicada en la sección de noticias del sitio web de NOIRLab