El polvo cósmico en tus huesos: el telescopio Webb de la NASA investigará los orígenes entrelazados del polvo y la vida.

Descubrir demasiado dinero en tu cuenta bancaria puede no ser lo que llamaras una “crisis”, pero aun así sería inesperado y deberías averiguar cómo llegó allí. Los astrónomos se encuentran en una posición similar al calcular la cantidad de polvo que deberían tener las galaxias; hay más polvo de lo esperado y no saben de dónde viene. Esto es importante porque el polvo cósmico es esencial para la función del Universo: alberga estrellas en formación, se convierte en parte de los planetas y puede contener los compuestos orgánicos que conducen a la vida tal como la conocemos. El polvo nos constituye.

La evidencia indica que se producen grandes cantidades de polvo cósmico cuando los vientos estelares de estrellas masivas chocan en los sistemas binarios o de estrellas múltiples Wolf-Rayet. A medida que las estrellas se orbitan entre sí y se produce polvo, se forma un patrón de molinete distintivo, como se muestra en esta imagen del Observatorio Europeo Austral. El polvo cálido como este brilla en las longitudes de onda de luz del infrarrojo medio detectables por el telescopio espacial James Webb de la NASA. Confirmar el origen del polvo ayudará a explicar la misteriosa sobreabundancia que se encuentra en las galaxias, lo que es crucial para el desarrollo posterior de estrellas, planetas y la vida tal como la conocemos.
Créditos: ESO / VLT / Callingham et al.

“A lo que nos referimos como la ‘crisis del presupuesto de polvo’ es el principal problema en astronomía de no poder dar cuenta de todo el polvo que se observa en las galaxias, tanto en el universo temprano cercano como en el distante”, dice Ryan Lau de la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón. Lau dirige el Director’s Discretionary Early Release Science Program con el próximo Telescopio Espacial James Webb de la NASA para estudiar las estrellas binarias Wolf-Rayet productoras de polvo.

Las estrellas Wolf-Rayet son muy calientes y muy brillantes. Existe evidencia de que las estrellas Wolf-Rayet, a través de interacciones con una estrella compañera, producen grandes cantidades de polvo en un patrón de molinete distintivo cuando las dos estrellas se orbitan entre sí y sus vientos estelares chocan. Es posible que estos sistemas de estrellas binarias representen un gran porcentaje del “presupuesto de polvo” de una galaxia. Sin embargo, la intensa luminosidad y el calor provenientes de las estrellas Wolf-Rayet han dificultado el estudio del polvo más tenue y difuso de estos sistemas. Aquí es donde entra Webb.

“La luz del infrarrojo medio que Webb puede detectar es exactamente la longitud de onda de la luz que queremos observar para estudiar el polvo y su composición química”, explica Lau. Las longitudes de onda infrarrojas son más largas que las longitudes de onda de la luz visible, por lo que pueden deslizarse entre los granos de polvo para alcanzar el telescopio, en lugar de quedar atrapados rebotando en la nube de polvo. Webb detectará esta luz y permitirá a los astrónomos leer la información que contiene, incluida la firma de sustancias químicas en el ambiente polvoriento, algunas de las cuales pueden ser las mismas sustancias químicas que forman los componentes básicos de la vida en la Tierra.

Esta animación muestra la producción de polvo en el sistema estelar binario WR 140 cuando la órbita de la estrella Wolf-Rayet se acerca a la estrella de tipo O y sus vientos estelares chocan. Los vientos más fuertes de la estrella Wolf-Rayet soplan detrás de la estrella O y, a su paso, se crea polvo a medida que se enfría el material estelar mixto. Según el proceso se repite una y otra vez, el polvo formará una forma distintiva de molinete.
Créditos: NASA, ESA y J. Olmsted (STScI).

“Webb tiene una combinación sin precedentes de resolución espacial y sensibilidad en longitudes de onda del infrarrojo medio, que es realmente lo que nos permite realizar estas interesantes observaciones”, dice Lau. “Podemos lograr la resolución espacial de los telescopios terrestres, pero carecemos de la sensibilidad que Webb puede lograr desde su ubicación de observación en el espacio sin la interferencia de la atmósfera terrestre. Por el contrario, con los telescopios espaciales infrarrojos anteriores, como la misión Spitzer de la NASA, podíamos lograr la sensibilidad pero carecíamos de la resolución espacial “

Lau y el equipo del Director de Ciencia de Liberación Temprana Discrecional (DD-ERS) usarán Webb para estudiar dos sistemas binarios Wolf-Rayet, utilizando el Instrumento de Infrarrojo Medio (MIRI) del telescopio y el Generador de Imágenes de Infrarrojo Cercano y el Espectrógrafo sin rendijas (NIRISS). El sistema binario WR140 se ha estudiado ampliamente en muchas longitudes de onda de luz y, por lo tanto, proporcionará una buena base para medir los mejores modos de observación de Webb para este tipo de sujeto cósmico. Otro binario Wolf-Rayet, WR137, experimentará el mayor acercamiento de sus estrellas entre sí, cuando se cree que se produce la mayor cantidad de polvo, al principio de la misión de Webb, cuando se planifiquen las observaciones del programa DD-ERS.

Más allá de los nuevos descubrimientos sobre la formación y la composición química del polvo, el programa DD-ERS también será una de las primeras oportunidades que tendrán los astrónomos para probar las mejores prácticas para los instrumentos de Webb y procesar los datos que ofrece.

“Este programa DD-ERS buscará las mejores formas de maximizar el rango dinámico de Webb, la diferencia entre los objetos más brillantes y más tenues que observa, y eso será útil para la comunidad astronómica de muchas maneras en el futuro; por ejemplo, al estudiar el disco polvoriento que rodea el centro brillante de una galaxia activa, o al encontrar un planeta orbitando una estrella brillante ”, dice Mansi Kasliwal, otro astrónomo del equipo DD-ERS. Kasliwal dirigió el laboratorio en el Instituto de Tecnología de California donde Lau realizó su investigación postdoctoral sobre los binarios Wolf-Rayet y desarrolló la propuesta para el programa DD-ERS.

Tanto Lau como Kasliwal están de acuerdo en que, si bien la pregunta abierta de cómo se crea y disemina el polvo cósmico por todo el Universo es fascinante, en realidad es un trampolín hacia la respuesta a una de las preguntas más importantes jamás planteadas: ¿Cómo llegamos aquí? Hasta donde sabemos, la Tierra es una isla de vida en el Universo, y al buscar comprender algo aparentemente remoto como el polvo cósmico, Lau dice que, en última instancia, buscamos comprendernos a nosotros mismos. “Comprender la formación del polvo es fundamental para que podamos rastrear nuestros propios orígenes cósmicos”, dice Lau. “Webb es una de las herramientas científicas más poderosas jamás desarrolladas en la búsqueda de respuestas a estas preguntas fundamentales”.

El telescopio espacial James Webb será el principal observatorio de ciencias espaciales del mundo cuando se lance en 2021. Webb resolverá misterios en nuestro Sistema Solar, verá más allá de mundos distantes alrededor de otras estrellas y explorará las misteriosas estructuras y orígenes de nuestro Universo y nuestro lugar en él. Webb es un programa internacional dirigido por la NASA con sus socios, la ESA (Agencia Espacial Europea) y la Agencia Espacial Canadiense.