Descubren evidencias de las primeras estrellas del Universo
Un equipo internacional de astrónomos halló
evidencia de antiguos vestigios químicos de las primeras estrellas que
iluminaron el Universo. Usando un análisis innovador de un cuásar distante
observado por el telescopio Gemini Norte de 8,1 metros en Hawai'i, y que opera
NOIRLab de la NSF, los científicos encontraron una proporción inusual de
elementos que, según ellos, sólo podrían provenir de los desechos producidos en
la explosión de una estrella de primera generación de 300 masas solares.
Es probable que las primeras estrellas se formaron
cuando el Universo tenía apenas 100 millones de años, menos del uno por ciento
de su edad actual. Estas primeras estrellas, conocidas como Población III, eran
tan gigantescas cuando explotaron como supernovas que sembraron el espacio
interestelar con una combinación distintiva de elementos pesados. Sin embargo,
a pesar de décadas de búsqueda por parte de los astrónomos, hasta ahora no
existe evidencia directa de estas estrellas primordiales.
Al analizar uno de los cuásares más distantes
conocidos [1] con el telescopio Gemini Norte, uno de los dos telescopios
gemelos que componen el Observatorio Internacional Gemini que opera NOIRLab de
NSF y AURA, los astrónomos creen que lograron identificar el material remanente
de la explosión de una estrella de primera generación. Usando un método
innovador para deducir los elementos químicos contenidos en las nubes que
rodean al cuásar, notaron una composición muy inusual: el material contenía 10
veces más hierro que magnesio, comparado con la proporción de estos elementos
que es posible encontrar en nuestro Sol.
Los científicos creen que la explicación más
probable para esta sorprendente característica es que el material lo dejó una
estrella de primera generación que explotó como una supernova de inestabilidad
de pares. Este tipo de poderosas explosiones de supernova nunca se han
presenciado, pero se teoriza que son el final de la vida de estrellas gigantes
con masas entre 150 y 250 veces la masa del Sol.
Las explosiones de supernova de inestabilidad de
pares ocurren cuando los fotones en el centro de una estrella se convierten
espontáneamente en electrones y positrones, la contraparte de antimateria
cargada positivamente del electrón. Esta conversión reduce la presión de
radiación dentro de la estrella, lo que permite que la gravedad la supere y
provoque el colapso y la posterior explosión.
A diferencia de otras supernovas, estos dramáticos
eventos no dejan restos estelares, como una estrella de neutrones o un agujero
negro, y en su lugar expulsan todo su material a su entorno. Solo hay dos
formas de encontrar evidencia de ellos. La primera es atrapar una supernova con
inestabilidad de pares en el momento en que ocurre, lo cual es una casualidad
muy poco probable. Y la otra forma consiste en identificar su firma química a
partir del material que expulsan al espacio interestelar.
Para su investigación, los astrónomos estudiaron los
resultados de una observación anterior tomada por el telescopio Gemini Norte de
8,1 metros, utilizando el Espectrógrafo de Infrarrojo Cercano Gemini (GNIRS por
sus siglas en inglés). Un espectrógrafo divide la luz emitida por los cuerpos
celestes en sus longitudes de onda respectivas, las que transportan información
sobre los elementos químicos que contienen estos objetos. Gemini es uno de los
pocos telescopios de su tamaño con el equipo adecuado para realizar este tipo
de observaciones.
Deducir las cantidades de cada elemento presente en
el objeto es una tarea complicadísima, porque el brillo de una línea del
espectro depende de muchos factores, además de la abundancia de un elemento en
específico.
Dos autores del análisis, Yuzuru Yoshii y Hiroaki
Sameshima de la University of Tokyo, resolvieron este problema desarrollando un
método que utiliza la intensidad de las longitudes de onda en el espectro de un
cuásar para estimar la abundancia de los elementos presentes. De este modo
lograron descubrir una notoria baja relación magnesio-hierro.
“Para mi, era obvio que la supernova candidata para
éste fuera una supernova de inestabilidad de pares de una estrella de Población
III, en la cual la estrella explota sin dejar ningún remanente. Me sorprendió
descubrir que una supernova de inestabilidad de pares de una estrella con una
masa cerca de 300 veces la del Sol, proporcione una relación de magnesio a
hierro que concuerde con el bajo valor que obtuvimos para el cuásar”, señaló
Yoshii.
Búsquedas de evidencia química para una generación
previa de estrellas de Población III de gran masa ya se habían realizado entre
las estrellas del halo de la Vía Láctea y al menos se presentó un hallazgo
tentativo en 2014. Sin embargo, Yoshii y sus colegas, pensaron que el resultado
nuevo provee la firma más evidente de una supernova de inestabilidad de pares
basada en una relación de abundancia de magnesio a hierro extremadamente baja
presente en este cuásar.
Si estos resultados son evidencia de una de las
primeras estrellas y de los restos de una supernova de inestabilidad de pares,
este descubrimiento ayudará a completar nuestra imagen de cómo la materia en el
Universo evolucionó hasta convertirse en lo que es hoy en día, incluyendo a
nosotros mismos.
Para verificar si esta interpretación es correcta,
se requieren muchas más observaciones para ver si otros objetos presentan
características similares.
Pero también podría ser posible encontrar estas
firmas químicas cerca de casa. Si bien las estrellas de gran masa de Población
III se habrían extinguido hace mucho tiempo, las huellas químicas que dejaron
en el material que expulsaron pudieron perdurar mucho más y podrían estar
presentes en la actualidad. Esto significa que los astrónomos podrían ser
capaces de encontrar vestigios de las explosiones de supernovas de
inestabilidad de pares que aún permanecen impresas en objetos de nuestro
Universo.
“Ahora sabemos qué buscar; tenemos un camino que
seguir”, expresó Timothy Beers, astrónomo de la Universidad de Notre Dame y
co-autor del estudio. “Si esto sucedió localmente en el Universo primitivo,
entonces esperamos encontrar evidencia de aquello”, concluyó.
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