¿Encontramos las primeras estrellas que iluminaron el Universo?

¿Sabías que… el cuásar estudiado en este artículo se conoce como ULAS J1342+0928, y se encuentra entre los cuásares más antiguos y distantes conocidos? La luz que observamos hoy en día fue emitida por él hace unos 13.100 millones de años, es decir, menos de 690 millones de años después del Big Bang.

Puede ser difícil de imaginar, pero hubo un tiempo antes de las estrellas, cuando el Universo era completamente oscuro y la materia que contenía era casi exclusivamente hidrógeno y helio. Luego, unos 180 millones de años después del Big Bang (según los modelos actuales), regiones de materia en todo el cosmos comenzaron a condensarse bajo su propia gravedad, y las primeras estrellas empezaron a iluminar el Universo.

Al fusionar hidrógeno y helio en elementos más pesados, estas estrellas pusieron en marcha la creación de la materia de la que estamos hechos. Imagina ver una de estas estrellas. Sería como encontrarse frente a frente con un antiguo antepasado, sin el cual nunca habrías existido. Es una perspectiva emocionante, y un equipo de astrónomos cree que se acerca más que nunca a ella.

Yuzuru Yoshii y Timothy Beers, dos coautores de un nuevo artículo publicado en el Astrophysical Journal, llevan décadas buscando las primeras estrellas del Universo. Se conocieron durante una visita de verano al Instituto Niels Bohr de Copenhague en 1995, cuando se les asignó la misma oficina, y descubrieron que compartían el interés por las primeras estrellas. Los astrónomos llaman a estos esquivos objetos estrellas de “Población III” o “Pop III”, porque existen tres poblaciones diferentes de estrellas, enumeradas desde las más recientes (I) a las más antiguas (III).

Pero, ¿cómo se puede buscar un objeto que existió hace miles de millones de años? La primera aproximación que hicieron los astrónomos fue buscar estrellas Pop III que hayan sobrevivido hasta hoy. Según la teoría, las estrellas Pop III de baja masa deberían tener una vida excepcionalmente larga y, por tanto, podrían seguir existiendo.

Impresión artística de una de las primeras generaciones de estrellas –estrellas Pop III– que iluminaron el Universo

Credit: NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva/Spaceengine

Lo más importante es que estos objetos deberían tener un contenido nulo de elementos pesados, ya que se formaron a partir de la materia primordial poco después del Big Bang, antes de que el Universo se enriqueciera con elementos pesados. En la década de 1990, Beers se dedicó a buscarlos, dirigiendo una intensa búsqueda de las estrellas con menor contenido de elementos pesados en la Vía Láctea. Así que, tras conocer a Yoshii en Copenhague, se mantuvo en contacto con las noticias de sus hallazgos. Sin embargo, nunca se detectó ninguna estrella sin elementos pesados.

Yoshii señala que esto no significa que no existan ahí fuera; su trabajo teórico ha demostrado que sus superficies podrían contaminarse con material de su entorno, lo que significa que podrían no parecer libres de elementos pesados en las observaciones. Pero sería difícil distinguir las estrellas Pop III contaminadas de las estrellas normales de segunda o tercera generación.

Por suerte, ésta no era la única vía para encontrar esos primeros ancestros estelares. Las estrellas Pop III con masas mucho mayores habrían tenido vidas relativamente cortas y habrían explotado hace miles de millones de años, enriqueciendo su entorno con elementos pesados. Por ello, los astrónomos también han buscado las firmas químicas distintivas de las explosiones Pop III de alta masa, con la esperanza de que queden impresas en los objetos celestes que se tragaron el material remanente.

Existe al menos una identificación tentativa de una estrella en la Vía Láctea que puede llevar la marca de una estrella Pop III que la precedió (Aoki et al., 2014). Sin embargo, Yoshii menciona que es muy difícil desentrañar las fuentes de la composición de un objeto, debido a la compleja mezcla de gas interestelar con material procedente de diferentes explosiones de supernovas a lo largo del tiempo.

“Llegué a pensar que sería necesario cambiar drásticamente la estrategia convencional para encontrar pruebas observacionales decisivas de las estrellas Pop III”, recuerda.

Afortunadamente, la naturaleza tiene otra pista para los arqueólogos cósmicos. Dado que la luz tarda en viajar por el espacio, la luz que nos llega del Universo lejano fue emitida hace mucho tiempo, por lo que revela objetos muy antiguos. Estos podrían llevar firmas más definitivas de explosiones Pop III de alta masa, ya que se habría producido una menor combinación de elementos al momento de su formación.

Los astrónomos han buscado las firmas químicas distintivas de las explosiones Pop III de alta masa, con la esperanza de que queden impresas en los objetos celestes que se tragaron el material remanente.

Por ello, Yoshii ha dedicado las dos últimas décadas a construir el Observatorio Atacama de la Universidad de Tokio (TAO por sus siglas en inglés). El TAO es un telescopio infrarrojo de 6,5 metros localizado en el desierto de Atacama, en Chile, y es el observatorio de mayor altitud del mundo, capaz de retroceder en el tiempo para observar cuásares extremadamente lejanos.

Sin embargo, en 2020, la construcción del TAO se suspendió temporalmente debido a la pandemia del COVID-19. Ese verano, con más tiempo disponible, Yoshii dio con una observación de uno de los cuásares más lejanos conocidos (Onoue et al., 2020). Se trata de un espectro tomado por el telescopio Gemini Norte de Hawai‘i, utilizando el Espectrógrafo de Infrarrojo Cercano de Gemini, que mostró las longitudes de onda constitutivas de la luz procedente de las nubes que rodeaban al cuásar.

Las características en longitudes de onda específicas de un espectro pueden indicar qué elementos están presentes en un objeto, pero es mucho más difícil deducir las cantidades de cada elemento presente. Esto se debe a que el brillo de una línea del espectro depende de muchos otros factores además de la abundancia de un elemento en específico.

Por cierto, en 2017, Yoshii y Hiroaki Sameshima (coautores del nuevo artículo), desarrollaron un método innovador para traducir el brillo de las longitudes de onda en el espectro y así calcular la abundancia de los elementos presentes en un objeto. Decidieron aplicar este método al espectro del cuásar y observaron una característica muy extraña: el material contenía 10 veces más hierro (Fe) que magnesio (Mg), comparado con la proporción de estos elementos que hay en nuestro Sol.

Resulta que esta relación [Mg/Fe] llamativamente baja, es exactamente lo que la teoría predice que sería el resultado de una explosión de la llamada Supernova de Inestabilidad de Pares (PISN por sus siglas en inglés), un tipo de explosión de supernova nunca antes visto, y que se cree son el final de la vida de las estrellas con masas entre 150 y 300 veces la masa del Sol.

Las explosiones de estas PISN ocurren cuando los fotones del núcleo estelar se convierten espontáneamente en pares de electrones y positrones, una conversión de energía en materia y antimateria que reduce la energía que tiene la estrella para sostenerse, lo que permite que la gravedad la supere y provoque un colapso y una posterior explosión.

“Me encantó (y me sorprendió un poco) descubrir que una PISN de una estrella con una masa cerca de 300 veces la del Sol proporcione una relación [Mg/Fe] que concuerde con el bajo valor que obtuvimos para el cuásar”, dice Yoshii.

Combinado con el hecho de que el cuásar se formó en una etapa tan temprana de la historia del Universo, esta sorprendente característica sugiere que el material que rodea al cuásar podría corresponder a los vestigios de una explosión de PISN de una estrella de primera generación. De ser cierto, el descubrimiento es la primera prueba de los astrónomos de este exótico tipo de supernova. Yoshii tuvo cuidado de considerar otras explicaciones, pero concluyó que una explosión de PISN Pop III era la más probable.

Resulta que esta relación [Mg/Fe] llamativamente baja, es exactamente lo que la teoría predice que sería el resultado de una explosión de la llamada Supernova de Inestabilidad de Pares (PISN) –un tipo de supernova nunca antes visto.

“Necesité mucho tiempo para examinar varias alternativas y convencerme a mí mismo y a mis coautores de que una PISN de una Pop III es la interpretación más razonable”, comenta. “Irónicamente, sin la aparición del COVID-19, nunca habría tenido tiempo para hacerlo”.

Yoshii y Beers señalan que se necesitarán muchas más observaciones similares para verificar el resultado con certeza. “Las leyes de la física son las mismas en todas partes y en todo momento”, dice Beers. “Con la excepción del Big Bang, si la naturaleza hace algo una vez, es probable que lo haya hecho miles de millones de veces”.

Así pues, es muy oportuno que el Telescopio Espacial James Webb se encuentre ahora en órbita y comience sus misiones científicas. El Webb descubrirá muchos más cuásares lejanos, y los datos de sus espectros ayudarán a confirmar o refutar lo común que es esta baja relación [Mg/Fe].

Aquí, desde tierra, Yoshii y Beers también siguen buscando más evidencias. La construcción del observatorio TAO, dirigido por Yoshii, se completará en aproximadamente un año y buscará intensamente cuásares antiguos para analizarlos.

Beers, por su parte, se dedica a un método diferente: los estudios fotométricos. “Con la espectroscopía, tienes que hacer una selección de los objetos que quieres observar”, explica. “En la fotometría, ahora tenemos técnicas calibradas con filtros de banda estrecha que pueden medir el hierro y el magnesio, o algo proporcional a ellos. Así que todo lo que tenemos que hacer es tomar fotos del cielo con los filtros adecuados para identificar los objetivos que podrían ser interesantes”.

Impresión artística de un cuásar lejano y el material que lo rodea, que podría haber tragado los restos de una estrella Pop III

Credit: NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva/Spaceengine

Si este descubrimiento ayuda a completar nuestra imagen de las estrellas, también nos ayudará a entender nuestra propia existencia. “Estamos estudiando el principio del material del que estamos hechos”, comenta Beers. “Podemos señalar casi todos los 92 elementos químicos naturales y contar una historia creíble de cómo surgieron físicamente, pero los detalles pueden complicarse. Hoy tenemos todo un libro de comienzos; tenemos los títulos de los capítulos y una serie de párrafos. Ahora intentamos completar el resto del texto”.

Una línea de tiempo de cómo el material sobrante de una antigua estrella Pop III podría terminar en el material alrededor de un cuásar y cómo ahora podemos detectarlo

Credit: NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva/Spaceengine