Desde el principio hasta el fin del Universo       

 

Nacen las primeras estrellas.

 

Por Michael E. Bakich.

Traducción y comentarios: Jesús A. Guerrero O. ALDA.

13 de enero de 2021.

 

Vivieron rápido, murieron jóvenes y sembraron el cosmos con material para las generaciones futuras.

 

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La impresión de este artista representa a CR7, una de las galaxias más antiguas conocidas, descubierta por el Very Large Telescope del Observatorio Europeo del Sur en 2015. Data de solo 800 millones de años después del Big Bang, y probablemente contiene ejemplos de la primera generación de estrellas del Universo. Crédito: ESO / M. Kornmesser.

 

Durante 380.000 años después del Big Bang, el cosmos fue una mezcla densa  y caliente de protones, electrones, otras partículas elementales y elementos ligeros. Pero el Universo en expansión se estaba enfriando rápidamente. Y una vez que la temperatura bajó a aproximadamente 4.950 grados Fahrenheit (2.730 grados Celsius), los protones y electrones pudieron formar átomos.

 

Eso sí, no todos los átomos. No flotaba el oro, ni el aluminio, ni elementos tan ligeros como el oxígeno. El hidrógeno y su isótopo pesado deuterio representaron alrededor de las tres cuartas partes de todo. Un par de isótopos de helio representaron la mayor parte de la otra cuarta parte. Y también se había producido una pequeña fracción (aproximadamente una mil millonésima parte de todo) de litio.

 

El hecho de que el hidrógeno y el helio nuevos giraran no significa que las  estrellas estuvieran apareciendo. De hecho, el primero de esos objetos luminosos no apareció hasta que el Universo tenía unos 100 millones de años. Entonces, durante un período de tiempo más largo del que los dinosaurios se extinguieron en la Tierra, no hubo estrellas ni galaxias, ni tampoco ningún objeto que emitiera luz.

 

Es a partir de esta oscuridad que los astrónomos están tratando de  reconstruir el origen de la primera generación de estrellas, llamadas estrellas de Población III. Tan brillantes como brillaron, su luz ahora es demasiado débil para ser detectada por los observatorios actuales, e incluso la próxima generación de telescopios tendrá dificultades para detectarlas. Pero a través del trabajo de detective científico, los astrónomos están comenzando a comprender cómo vivieron y murieron estos objetos esquivos.

 

El Universo se ilumina.

Una pista importante proviene del fondo cósmico de microondas (CMB), la  radiación reliquia que se formó en el cálido Universo temprano. Esta radiación se ha estado enfriando desde que se emitió a medida que el cosmos se expande; actualmente, la temperatura de fondo es de aproximadamente 2,73 kelvin (–455 F, –270 C). Y las mediciones del CMB muestran que es increíblemente consistente, correspondiente a variaciones de densidad de solo 1 parte en 100.000. Pero esas variaciones, ondas literales en la estructura del Universo, están revelando cómo se formaron las primeras estrellas.

 

Los modelos informáticos muestran que las minúsculas fluctuaciones de  densidad en el Universo temprano actuaron como puntos de partida para inmensas nubes de gas. Sin estas variaciones de estructura, no se habría formado nada. Todo el cosmos habría evolucionado hasta convertirse en una nube homogénea cada vez más delgada de hidrógeno, helio y esa pequeña cantidad de litio. Sin embargo, gracias a la gravedad, las fluctuaciones se convirtieron en puntos de reunión: enormes nubes donde el gas continuaba acumulándose. Finalmente, las nubes se contrajeron. Mientras lo hacían, se calentaron a más de 1.300 F (700 °C).

 

Esa temperatura sería demasiado alta para que una región de formación de estrellas hoy en día forme estrellas. De hecho, si una nube está más caliente que unos 10 kelvin (–442 F, –263 C), la velocidad de los átomos en su interior será demasiado rápida para que se peguen y eventualmente formen estrellas.

 

 

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Un cúmulo de cinco de las primeras estrellas del Universo, envuelto en discos de gas, está tomando forma en la ilustración de este artista. Estas estrellas habrían sido mucho más calientes y masivas que el Sol. Crédito: Shantanu Basu; Universidad Occidental de Ontario.

 

Pero las nubes en el Universo temprano eran más grandes y estaban mucho más densamente empaquetadas que las nebulosas modernas. Dentro de ellos, algunos átomos de hidrógeno se emparejaron para convertirse en moléculas de hidrógeno. Y debido a que las moléculas son mejores emisoras de radiación infrarroja (calor), la temperatura bajó y los grupos dentro de las nubes podrían contraerse aún más.

 

Cada una de las regiones era probablemente varios cientos de veces más  masiva que el Sol. Esa cantidad de masa, y su correspondiente gravedad, podrían superar la presión exterior de la radiación. Los grupos no se dividieron a medida que se contraían, por lo que solo se formó una estrella de cada uno. El resultado fue que las primeras estrellas eran potencialmente colosales (las estimaciones van desde varias decenas de masas solares hasta 1.000 masas solares) y luminosas, quizás millones de veces más brillantes que el Sol.

 

Debido a que el Universo era más pequeño y denso, un gran número de estas estrellas se formaron cerca de cada una de sus variaciones de densidad. Eventualmente, la fuerza gravitacional de estas estrellas atraería a otras estrellas, y los números crecieron a partir de ahí. Los astrónomos creen que esto tomó algunos cientos de millones de años, pero, al final de ese tiempo, se habían formado las primeras galaxias.

 

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El gas y el polvo brillan intensamente mientras caen hacia el agujero negro supermasivo en el centro de una de las primeras galaxias del Universo, en el concepto de este artista. Crédito: NASA/ ESA/ ESO/ Wolfram Freudling et al. (CCTEP).

 

La vida de una primera estrella.

Quizás se esté preguntando cómo alguien podría averiguar cómo se  formaron las estrellas durante una época en la que el Universo no era observable. Afortunadamente, el cosmos no era tan complejo entonces como lo es ahora, lo que facilita el modelado por parte de los cosmólogos.

 

Por ejemplo, no tienen que tener en cuenta las ondas de choque de las  supernovas que comprimen el material dentro de nebulosas distantes. Todo el material disponible fue uno de los tres elementos más ligeros. Ni siquiera había polvo que afectara el enfriamiento de las nubes.

 

Los astrónomos teorizan que, además de ser masivas, las primeras estrellas  también eran extremadamente calientes. Sus temperaturas superficiales pueden haber sido de 15 a 20 veces superiores a las del Sol, y la mayor parte de la radiación que emitían estaba en la región ultravioleta del espectro.

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Una estrella de Población III se convierte en supernova en el concepto de este artista. Explosiones como estas produjeron elementos más pesados ​​y los escupieron al Universo. Crédito: Kavli IPMU.

 

Y aunque las supernovas no  jugaron un papel en el nacimiento de las primeras estrellas, tales eventos fueron parte de todas sus muertes. Cuanto más masiva es una estrella, más rápido pasa por su vida, por lo que las primeras estrellas pueden haber vivido solo unos pocos millones de años o menos.

 

La teoría predice que cuando una estrella con una masa entre 140 y 260  veces la del Sol llega al final de su vida, produce una supernova de inestabilidad de pares. En el núcleo de tal objeto, los pares de electrones y positrones alteran el equilibrio entre la presión de radiación hacia el exterior y la atracción de la gravedad hacia el interior.

 

A medida que la gravedad comienza a ganar este tira y afloja, el núcleo  colapsa. Eso, a su vez, eleva su temperatura y provoca un enorme aumento de la fusión; tanto, de hecho, que la estrella explota por completo, sin dejar ningún remanente estelar (como un agujero negro). De esta manera, todos los elementos que la estrella había sintetizado, incluyendo el hierro, son lanzados al espacio. Esto siembra el gas circundante con material, creando la mezcla que formaría las futuras generaciones de estrellas. Entonces, en cierto sentido, la muerte de estas estrellas es tan importante para el desarrollo del Universo como su nacimiento.

 

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Los astrónomos han detectado fósforo en el remanente de supernova Cassiopeia A, visto aquí en falso color por tres telescopios espaciales de la NASA. Crédito: NASA/ JPL-Caltech/ STScI/ CXC/ SAO.

 

¿Está involucrada la materia oscura?

Según los teóricos, nuestra parte del Universo, lo que podemos ver y tocar, representa solo el 5 por ciento del total. El resto es energía oscura (alrededor del 69 por ciento) o materia oscura (26 por ciento). La energía oscura hace lo suyo, lo que parece estar acelerando la expansión del Universo.

 

La materia oscura tampoco interactúa con la materia normal, excepto a través de la gravedad. Entonces, aunque es imposible verla directamente, los astrónomos pueden detectarla indirectamente.

 

Algunos científicos ahora piensan que el tirón gravitacional de la materia  oscura fue crucial para unir el material normal en grupos y parches (las fluctuaciones de densidad en el CMB) en los años posteriores al Big Bang. Estos objetos, llamados minihalos de materia oscura, tendrían que haber sido masivos, del orden de un millón de soles o más.

 

La materia normal habría necesitado la gravedad de tanta masa para superar la velocidad de los átomos a medida que la nube formadora de estrellas se contraía y calentaba. Si el minihalo fuera demasiado pequeño, los átomos no se fusionarían para formar eventualmente estrellas.

 

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Un cúmulo de galaxias, unidas gravitacionalmente, comienza a formarse en el Universo temprano en el concepto de este artista. Crédito: ESO/ M. Kornmesser.

 

La siguiente mejor cosa.

Ningún telescopio, en la Tierra o en el espacio, es actualmente lo  suficientemente poderoso como para detectar la luz de una estrella de Población III. Pero algunos científicos creen que la evidencia de cómo eran las primeras estrellas se encuentra mucho más cerca. Están buscando la segunda generación de estrellas, concentrando su búsqueda en el halo de la Vía Láctea, una región esférica de estrellas viejas y cúmulos globulares, estrellas de Población II, centrada en el núcleo de nuestra galaxia.

 

A diferencia del disco de la Vía Láctea, que tiene abundante gas y polvo y  está lleno de estrellas jóvenes, llamadas estrellas de Población I, no se están formando nuevas estrellas en el halo. En comparación con el Sol, las estrellas Pop II en el halo contienen una fracción más pequeña de metales, un término que en astronomía se refiere a cualquier elemento más pesado que el helio. Y algunas estrellas hipermetales pobres (HMP) podrían proporcionar pistas para desentrañar cómo vivieron y murieron las primeras estrellas porque sus atmósferas no han cambiado mucho desde que se formaron.

 

Las dos primeras estrellas HMP descubiertas fueron HE 0107-5240 en la constelación de Phoenix en 2002 y HE 1327-2326 en Hydra en 2005. Cada una tiene sólo el 0,001 por ciento o menos de la abundancia total de hierro del Sol.

 

En 2019, Rana Ezzeddine, entonces en el MIT (ahora en la Universidad de  Florida), y su equipo encontraron evidencia de observación de que HE 1327-2326 probablemente se formó en una región del Universo temprano que había sido mejorada por la explosión de supernova de una primera estrella, con una masa 25 veces mayor que la del Sol.

 

La menor abundancia de hierro conocida pertenece a la estrella SMSS J031300.36-670839.3 en la pequeña constelación de Hydrus. Descubierta en 2014, esta estrella se encuentra a 6.000 años luz de distancia. Con 13.600 millones de años, es la estrella más antigua cuya edad se ha determinado con precisión y probablemente una de las primeras estrellas de segunda generación en formarse.

 

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Demografía estelar en la Vía Láctea. Crédito: Astronomía, Roen Kelly.

 

A la caza.

Por ahora, la mejor esperanza de los astrónomos de detectar directamente  una estrella Pop III podría estar en el Telescopio Espacial James Webb (JWST) de la NASA, cuyo lanzamiento está programado para octubre de 2021. Aunque su espejo de 6,5 metros no podrá revelar alguna de las primeras estrellas por sí solo, podría tener suerte. Quizás podría captar un destello ultra tenue que indique que una de las primeras estrellas se convierta en supernova.

 

O, si un gran cúmulo de galaxias se interpone entre una estrella Pop III y  JWST, podría actuar como una lente gravitacional, doblando y magnificando la luz de la estrella. Un estudio de 2018 dirigido por investigadores de la Universidad Estatal de Arizona y la Universidad de Melbourne encontró que JWST podría encontrar algunas de estas primeras estrellas si monitorea 30 cúmulos de galaxias dos veces al año durante su vida útil estimada de cinco a 10 años.

 

Por supuesto, los investigadores pueden soñar con construir un telescopio  gigante tan poderoso que pueda capturar la luz de las estrellas Pop III sin ayuda.

 

¿Qué tan fantástica es esta perspectiva? Anna Schauer y sus colegas de la  Universidad de Texas calculan que un telescopio con un espejo de 100 metros de ancho sería suficiente, si se colocara en la Luna, claro. Su observatorio propuesto, denominado Ultimately Large Telescope y publicado en el sitio de preimpresión en línea en julio pasado, estaría en la sombra eterna de un cráter lunar en el Polo Sur de la Luna, aislado del calor que podría interferir con sus observaciones infrarrojas.

 

¿Podría pasar eso pronto? Sí, al menos astronómicamente hablando.

 

Fuente:

https://astronomy.com/magazine/news/2021/01/the-beginning-to-the-end-of-the-universe-the-first-stars-are-born