Gracias al efecto de lente gravitacional fuerte se pueden observar objetos muy pequeños y muy lejanos. Como la famosa estrella Earendel, con un desplazamiento al rojo fotométrico de z ~ 6, observada por los telescopios espaciales Hubble (LCMF, 31 mar 2022) y Webb (LCMF, 22 ago 2022). Se publica en Nature que NIRCam del JWST ha observado cinco (proto)cúmulos estelares en una galaxia con z ~ 10.2 en el Arco de las Gemas Cósmicas (Cosmic Gems arc), SPT0615-JD1, cuya lente gravitacional es el cúmulo galáctico SPT-CL J0615–5746, situado a z = 0.972. El análisis de las múltiples imágenes lensadas muestra una galaxia débil que aparenta tener cinco cúmulos estelares en una region de 70 pársecs. Los cinco muestran una mínima atenuación por el polvo y una baja metalicidad, siendo muy jóvenes (unos 50 millones de años) y con una masa intrínseca del orden de un millón de masas solares.

Observamos estos (candidatos a) cúmulos estelares (también llamadas cúmulos abiertos) como eran cuando el universo tenía unos 460 millones de años (z ~ 10.2). Resulta sorprendente su pequeño tamaño, que se estima en un solo pársec (pc), lo que implica una densidad estelar superficial de unas 10⁵ M⊙/pc². Este valor es altísimo, unos tres órdenes de magnitud mayor que los valores típicos de los cúmulos estelares jóvenes en el universo local. Por supuesto, dentro de los grandes márgenes de incertidumbre que tienen los análisis de lentes gravitacionales, se interpretan las imágenes múltiples como cinco protocúmulos globulares. Siendo el primer ejemplo de este tipo de objetos, aún no se sabe si son similares a las protocúmulos típicos de la época de reionización. El artículo es Angela Adamo, Larry D. Bradley, …, Yoichi Tamura, «Bound star clusters observed in a lensed galaxy 460 Myr after the Big Bang,» Nature (24 Jun 2024), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07703-7, arXiv:2401.03224 [astro-ph.GA] (06 Jan 2024).

Los cinco (candidatos a) cúmulos estelares se han observado de forma fotométrica en las imágenes de NIRCam. Se dispone de dos imágenes de dos de ellos (A.1 y A.2, y B.1 y B.2), pero solo una de los otros tres (C.1, D.1 y E.1); hay una imagen que se interpreta como C.2+D.2, la posible mezcla de las imágenes C.2 y D.2, e indicios a 2 sigmas de la existencia de una imagen E.2. Usando los programas de modelado de lentes gravitacionales Lenstool (con dos conjuntos de parámetros A y B) y Glafic se estima que los cinco cúmulos estelares están separados por una distancia mediana de 42 pársecs (en el intervalo entre 37 y 71 pc). Se espectro fotométrico (con las seis bandas de NIRCam) se ha ajustado con los programas BAGPIPES y PROSPECTOR.

La estimación de los parámetros intrínsecos de estos (candidatos a) protocúmulos estelares depende del modelo usado para la lente gravitacional, luego está sujeta a grandes incertidumbres (como muestra esta tabla). A pesar de ello, se estima que su radio intrínseco ronda 1 pársec (entre 0.6 y 1.5), que su edad está entre 9 y 36 millones de años, y que su masa está entre 1.0 y 2.6 millones de masas solares. La masa total de los cinco protocúmulos es de 8.3 millones de masas solares, que es un valor próximo al 30 % de la masa estelar de su galaxia anfitriona. Me gustaría repetir que todas estas estimaciones son muy dependientes del modelo de lente gravitacional usado y que futuros estudios (quizás basadas en nuevas observaciones) podrían modificar estas estimaciones.

Se han comparado los cinco (candidatos a) protocúmulos estelares en el Arco de las Gemas Cósmicas con un catálogo de cúmulos en el universo local y con otros cúmulos lensados observados en el Arco del Amanecer (Sunrise arc) a z ~ 6 y en el Arco del Resplandor Solar (Sunburst arc) a z ~ 2.37. La densidad estelar superficial de estos protocúmulos, unas 10⁵ M⊙/pc², es mucho mayor que la de los cúmulos estelares del universo local, siendo un orden de magnitud mayor que la de otros cúmulos lensados. Se interpreta este resultado como que se trata de protocúmulos (cúmulos en formación en el era de la reionización), resultado que es compatible con las predicciones de los modelos de formación galáctica.

El artículo en Nature propone una hipótesis sobre la evolución dinámica de los protocúmulos en cúmulos que tendrá que ser ratificada por futuros estudios. Habría tres mecanismos implicados: (i) la pérdida de masa debido a la evolución estelar (las estrellas jóvenes y muy masivas pierden grandes cantidades de masa, hasta un 50 %, por diferentes procesos dinámicos, como fulguraciones y viento estelar); (ii) la relajación de las órbitas estelares debido a interacciones de N cuerpos (que haría que el radio de las órbitas estelares crezca, con lo que también lo hará el radio intrínseco del cúmulo estelar); y (iii) la formación de agujeros negros estelares (producto de las explosiones como supernovas de las estrellas del protocúmulo) y su dinámica posterior en el seno del cúmulo.