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Astrofísica

Un fósil estelar

En un nuevo estudio de objetos celestes, encuentran una estrella rara con una antigüedad de más de 10.000 millones de años

La estrella SPLUS J2104-0049 (el punto en el centro de las imágenes) fotografiada en cada uno de los 12 filtros del telescopio T80S

S-PLUS / Astro Data Lab

Entre los 21 millones de objetos celestes observados y catalogados por el proyecto S-PLUS, un estudio que utiliza un telescopio robótico brasileño instalado en Chile para elaborar un mapa de la mitad del cielo del hemisferio sur, un equipo coordinado por el astrofísico Vinicius Placco ha identificado una estrella muy antigua y rara. Con alrededor de un 80 % de la masa del Sol y una edad que se ha estimado entre 12.000 y 10.000 millones de años, SPLUS J2104-0049, el nombre que recientemente se le ha dado al astro, parece pertenecer a la segunda generación de estrellas que se formaron luego del Big Bang. Esta expresión alude a la explosión inicial que habría dado origen al Universo hace 13.800 millones de años. Como aún no se han observado estrellas de la primera generación posterior al Big Bang, la composición química de las estrellas de la segunda generación proporciona parámetros importantes para inferir cómo habrían sido sus predecesoras. Se trata de un trabajo de arqueología estelar, en el cual la localización y caracterización de una pieza aporta pistas del pasado remoto.

La existencia de SPLUS J2104-0049 indica que la población primordial de estrellas del Universo, que comenzó a surgir unos 200 millones de años después del Big Bang, podría haber estado compuesta por astros con una masa mayor de lo que se pensaba. “La estrella que hemos descubierto se habría formado a partir de una nube de gas enriquecida por material proveniente de la explosión de una única estrella de primera generación, de 30 masas solares”, explica Placco, del NOIRLab, un centro de investigación dependiente de la National Science Foundation (NSF) en Tucson, estado de Arizona (EE. UU.). “Hasta ahora, la teoría estipulaba que las estrellas de primera generación promediaban alrededor de 20 masas solares”. El astrofísico brasileño es el autor principal de un artículo sobre el descubrimiento de la estrella que fue publicado en mayo en la revista científica Astrophysical Journal Letters (ApJL).

Localizada a unos 16.000 años luz, aproximadamente 3.800 veces más lejos que Próxima Centauri (Alfa Centauri C), la estrella más cercana a la Tierra, SPLUS J2104-0049 se define, técnicamente hablando, como una estrella extremadamente pobre (ultrapobre) en metales. Este grupo de estrellas está integrado solamente por 35 cuerpos celestes conocidos, todos pertenecientes a la segunda generación de estrellas posteriores al Big Bang. En el campo de la astrofísica, cualquier elemento químico distinto al hidrógeno y al helio se considera como metal, un concepto específico de esta área, que difiere del que adopta la química en la tabla periódica. Además de una metalicidad extremadamente baja, al igual que sus tres decenas de hermanas, SPLUS J2104-0049 presenta una característica que la hace única: es la estrella ultrapobre en metales con la menor cantidad de carbono medida en su atmósfera. “Posee entre 100 y 1.000 veces menos carbono que las otras estrellas de ese grupo”, comenta Placco. De acuerdo con los modelos que manejan los astrofísicos, una estrella con esta particularidad solo podría surgir de una nube gaseosa enriquecida con el material emanado por una estrella de una generación anterior con una masa equivalente a 30 soles.

S-PLUS / Astro Data Lab Una imagen de la estrella SPLUS J2104-0049 (en el centro del montaje) a partir de la combinación de los 12 filtros de color instalados en el telescopio brasileñoS-PLUS / Astro Data Lab

La composición de una estrella depende de la constitución química de las poblaciones de estrellas que la precedieron. En teoría, cuanto más antigua es una estrella, cuanto más próximo a la infancia del Universo es su origen, menor es su grado de metalicidad. La primera generación de estrellas, que se formaron tras el Big Bang, sería el caso más extremo que dicta el tono de esta regla. Estos astros primordiales tan solo están constituidos por hidrógeno y helio, los dos elementos químicos más leves, y desprovistos de metales. Presentan esta firma química única porque se formaron a partir del colapso gravitatorio de nebulosas constituidas solamente por hidrógeno y helio. Las nubes se fueron concentrando dando origen a la primera generación de estrellas. Todas las poblaciones de estrellas subsiguientes estarían compuestas predominantemente por esos dos elementos, añadiéndose una pequeña cantidad de metales, cuyo contenido va aumentando ligeramente con cada nueva generación. La vida y la muerte de una estrella aportan más metales a las nubes de gas, aumentando gradualmente la cantidad de elementos en esas incubadoras estelares. Con el paso del tiempo, las estrellas pasan a estar compuestas por más metales además del hidrógeno y helio iniciales.

La ubicación de SPLUS J2104-0049 entre las 700.000 estrellas de la Vía Láctea mapeadas por el S-PLUS y de las cuales se calculó su metalicidad solo fue posible gracias a una peculiaridad del T80S, el telescopio de 86 centímetros de diámetro instalado en 2015 en el Cerro Tololo, una montaña de los Andes chilenos, para captar las imágenes que componen el estudio del cielo austral. El telescopio dispone de un sistema de 12 filtros fotométricos de distintos colores, de los cuales siete son más estrechos y permiten estudiar lo que se denominan líneas espectrales de los cuerpos celestes. Las características de estas líneas indican, por ejemplo, la temperatura y la composición química de las estrellas, incluso de aquellas que son muy antiguas, como es el caso de SPLUS J2104-0049. “La imágenes del T80S son ideales para el descubrimiento de objetos de estudio raros”, dice el astrofísico Felipe de Almeida Fernandes, que realizó una pasantía posdoctoral en el Instituto de Astronomía, Geofísica y Ciencias Atmosféricas de la Universidad de São Paulo (IAG-USP) y se encarga de preparar y pulir los datos proporcionados para el estudio S-PLUS. “Cuando se identifica un objeto potencialmente interesante se lo puede observar más detalladamente en un telescopio mayor”.

Favio Feifer Una vista de la parte interna del telescopio T80S, situado en el Cerro Tololo, en ChileFavio Feifer

La nueva estrella ultrapobre en metales fue descubierta por el T80S y se la estudió más a fondo con dos telescopios mayores: Gemini Sur, que posee un espejo de 8 metros (m) de diámetro, y Magallanes Clay, de 6,5 m, uno de los telescopios gemelos del Observatorio Las Campanas, todos ubicados también en Chile. Para agilizar el proceso de selección de objetivos de observación entre miles o incluso millones de cuerpos celestes, los astrofísicos disponen hoy en día de algoritmos basados en inteligencia artificial y aprendizaje automático. “Entrenamos al software para reconocer la firma espectral típica del objeto que estamos buscando y el programa realiza una búsqueda de ese tipo de astros entre las imágenes recabadas en el estudio S-PLUS”, comenta Placco. Así fue como, de las 700.000 estrellas de la Vía Láctea registradas hasta ahora en el mapeo, los astrofísicos obtuvieron inicialmente 200 candidatas a estrellas ultrapobres en metales y, posteriormente, detectaron a SPLUS J2104-0049. Según los investigadores, el índice de acierto del algoritmo a la hora de clasificar a un astro o formación celeste registrados por el estudio es superior a un 97 %. De cada mil objetos que el programa analiza automáticamente, solamente 22 habrían sido catalogados en forma incorrecta.

“Por ahora, el hallazgo de esa estrella pobre en carbono es el principal resultado científico del S-PLUS”, comenta la astrofísica Claudia Mendes de Oliveira, del IAG-USP, coordinadora del proyecto para cartografiar el cielo austral y artífice del telescopio T80S. A la par del artículo científico que describe la nueva estrella, la iniciativa publicó también cinco papers que presentan los métodos y herramientas científicas que se están utilizando en el S-PLUS. La FAPESP financió con 800.000 euros (unos 4,7 millones de reales) la compra del T80S a pedido de un proyecto coordinado por Oliveira. Además de las inversiones recibidas de la Fundación, el telescopio fue instalado en Chile con la ayuda del resto de sus colaboradores asociados: el Observatorio Nacional (ON) de Río de Janeiro, las universidades federales de Sergipe (UFS) y de Santa Catarina (UFSC) y la Universidad de La Serena, de Chile. Varias agencias de fomento, entre ellas el Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq) y la Fundación de Apoyo a la Investigación Científica del Estado de Río de Janeiro (Faperj), financiaron la participación de esas instituciones en el telescopio. El Instituto Nacional de Investigaciones Espaciales (Inpe) y el Centro de Estudios de Física del Cosmos de Aragón (Cefca), de España, también colaboraron para el funcionamiento del T80S en las etapas iniciales de desarrollo del proyecto. En la actualidad, el mantenimiento del telescopio se sostiene mediante proyectos patrocinados por la FAPESP.

Con la mira puesta en la mitad del cielo austral
Al servicio del proyecto S-PLUS, el telescopio brasileño proyecta mapear 4.500 regiones de la bóveda celeste

S-PLUS / Carlos Eduardo Barbosa Tres de los 21 millones de cuerpos celestes mapeados en el estudio: Nebulosa del Lápiz, galaxia NGC 3314A y conglomerado globular Messier 2 (NGC 7089)S-PLUS / Carlos Eduardo Barbosa

Existen varios proyectos internacionales cuyos objetivos son la realización de estudios y el mapeo de objetos situados en diversos sectores del cielo, tales como los denominados Dark Energy Survey (DES) y Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Estas iniciativas divulgan periódicamente catálogos con imágenes y datos sobre los millones de estrellas, galaxias y otras estructuras cósmicas que sus telescopios han captado en diferentes longitudes de onda (luz visible, infrarrojo, ondas de radio, rayos gama). “Si bien los brasileños participan regularmente de estudios astronómicos, el S-PLUS es el primer proyecto de esta envergadura y alcance liderado por el país”, comenta el astrofísico Roderik Overzier, del Observatorio Nacional (ON), uno de los coordinadores del proyecto. En el estudio participaron unos 200 científicos, el 60 % de los cuales pertenecen a instituciones brasileñas. El pequeño telescopio T80S, que es una réplica exacta de otro telescopio español y fue instalado en Chile, trabaja principalmente en función de este proyecto.

Desde el inicio de su operación, hace alrededor de 5 años, el dispositivo ha producido dos catálogos con imágenes de 21 millones de cuerpos celestes. Su meta es realizar un barrido sobre un área equivalente a la mitad del cielo visible desde el hemisferio sur y enfocar su cámara hacia 4.500 campos de observación de lo que se denomina Universo Local, que incluye a la Vía Láctea y otras galaxias vecinas, como la Nube de Magallanes y los cúmulos de Fornax e Hidra. Cada uno de los 12 filtros del T80S produce tres imágenes de una superficie cuadrada del cielo que podría contener al menos cinco lunas llenas.

“Ya hemos cubierto el 40 % del área que pretendemos mapear en el estudio”, comenta Claudia Mendes de Oliveira, del IAG-USP. “Seguiremos cartografiando durante otros tres años y medio”. Además del descubrimiento de objetos raramente observados, como la estrella ultrapobre en metales SPLUS J2104-0049, el estudio genera nuevas y magníficas imágenes de otras estructuras conocidas, como las que pueden verse en la galería publicada al lado. Cualquier investigador de una institución brasileña puede participar como miembro del S-PLUS. En la página web del proyecto pueden consultarse más detalles (www.splus.iag.usp.br). Los astrofísicos del mapeo nacional también mantienen colaboraciones con otros proyectos similares que están mapeando el cielo del hemisferio norte, tales como los proyectos asociados J-PLUS y J-PAS, con los cuales se generará un conjunto de datos que abarcará casi la mitad de toda la bóveda celeste.

Proyectos
1. Ciencia con el telescopio robótico brasileño (nº 19/26492-3); Modalidad Proyecto Temático; Investigadora responsable Claudia Mendes de Oliveira (USP); Inversión US$ 451.745 y R$ 2.680.207,02
2. EMU: Adquisición de un telescopio robótico para la comunidad astronómica brasileña (nº 09/54202-8); Modalidad Programa Equipamientos Multiusuarios; Investigadora responsable Claudia Mendes de Oliveira (USP); Inversión US$ 1.746.697,84 y R$ 1.325.134,14

Artículo científico
PLACCO, V. M. et al. SPLUS J210428.01-004934.2: An ultra metal-poor star identified from narrowband photometry. The Astrophysical Journal Letters. 12 may. 2021.

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