Las Primeras Estrellas: “Creemos que estamos viendo la ‘información genética’ de la primera generación de estrellas”

Nunca se ha visto la primera generación de estrellas, pero mediciones indirectas sugieren que comenzaron a formarse 180 millones de años después del Big Bang. Los modelos predicen que estas primeras estrellas habrían sido gigantescas, con docenas o quizás cientos de veces la masa del Sol y habrían tenido vidas relativamente cortas antes de explotar como supernovas.

Los únicos materiales presentes en la formación de las primeras estrellas eran los pocos elementos que se formaron en el Big Bang: hidrógeno, helio y una muy pequeña cantidad de litio. No había elementos más pesados en el Universo: no había carbono, oxígeno, nitrógeno, hierro, etc. Los astrónomos llaman a los elementos más pesados que el hidrógeno y helio “metales”, lo cual es confuso pues esta denominación también incluye elementos no metálicos.

Vinicius Placco es un Científico Asociado en NOIRLab que enfoca su investigación en la arqueología estelar y galáctica.

Credit: V. Placco

Estos metales se forman por las reacciones nucleares que ocurren dentro de las estrellas o durante eventos explosivos como una supernova. Cuando una estrella muere, expele estos elementos al espacio, y se combinan con el hidrógeno y el helio, enriqueciendo las nubes de gas interestelar que luego forman la siguiente generación de estrellas.

Se trata de un efecto acumulativo: mientras más generaciones de estrellas existan, más elementos pesados habrá para formar las siguientes generaciones de estrellas. Los astrónomos pueden usar la abundancia de los elementos pesados dentro de una estrella (que se conoce como “metalicidad”) para estimar su edad. Las estrellas más jóvenes tienen la abundancia más grande —la metalicidad más alta— mientras que las estrellas más antiguas tienen muy poca abundancia de elementos pesados.

¿Sabías que las estrellas producen todos los elementos más pesados que el hidrógeno y el helio en el Universo, y que cuando mueren expulsan estos elementos al espacio, para participar en la siguiente generación de estrellas?

La segunda generación de estrellas podría contener los elementos pesados producidos por la primera generación de estrellas, pero eso sería sólo una cantidad muy pequeña. Los astrónomos se refieren a estas estrellas como “ultra pobres en metales”. Si bien es probable que la primera generación de estrellas estuvo integrada solo por estrellas masivas, algunas de la segunda generación pudieron ser mucho menos masivas. Esto se debe a que los metales expelidos por las primeras estrellas formarían polvo, lo que ayudaría a que el gas de formación estelar se enfriara para que la gravedad actuara para fragmentar el gas y colapsar finalmente en estrellas más pequeñas.

Desde la parte superior de la imagen y pasando a la derecha hacia abajo hay 12 imágenes de SPLUS J2104-0049, tomadas desde el Astro Data Lab de NOIRLab, cada imagen fue tomada por un filtro diferente. El gráfico muestra la longitud de onda de emisión vista a través de cada filtro, codificada por colores. La línea negra cuadriculada es el espectro visto por el instrumento del Espectrógrafo Multi-objetos de Gemini, y los círculos y cuadrados son las mediciones realizadas a través de los filtros de banda estrecha (círculos rellenos) y banda ancha (cuadrados rellenos).

Credit: Placco et al., 2021.

Mientras menos masiva sea una estrella, más tiempo vivirá. Las estrellas nacidas en esa segunda generación con una masa igual o menor a nuestro Sol todavía pueden encontrarse hoy.

Antes de este año, los astrónomos sólo habían descubierto 34 de estas estrellas ultra pobres en metales originadas en esa segunda generación. Ahora, Vinicius Placco de NOIRLab y sus colegas han utilizado varias instalaciones de NOIRLab para descubrir otras estrellas de este tipo tan escaso. Aquí les contamos cómo lo lograron:

“Todo comenzó conmigo obteniendo algunas tablas de datos del Astro Data Lab de NOIRLab”, dice Placco. Los datos provenían del Southern Photometric Local Universe Survey (SPLUS), que mapea el cielo del hemisferio sur con un telescopio de 0,83 metros en el Observatorio Cerro Tololo de NOIRLab en Chile.

Antes de este año, los astrónomos sólo habían descubierto 34 de estas estrellas ultra pobres en metales originadas en esa segunda generación. Ahora, Vinicius Placco de NOIRLab y sus colegas han utilizado varias instalaciones de NOIRLab para descubrir otras estrellas de este tipo tan escaso

“SPLUS observa el cielo nocturno con 12 filtros diferentes, muchos de los cuales son de banda estrecha, y son importantes por captar diferentes temperaturas y la química de las estrellas”, comenta Placco. Los datos del estudio contenían información de millones de estrellas en nuestra galaxia, y Placco y su equipo tuvieron que examinar cuidadosamente todas estas estrellas, seleccionado sólo un centenar que parecían tener metalicidades inusualmente bajas.

El próximo paso fue obtener mayor información de esas 100 estrellas, por lo que solicitó tiempo de observación en el programa de “clima desfavorable” del telescopio de 8 metros Gemini Sur de NOIRLab en Chile.

Una de las estrellas más antiguas conocidas en el Universo, SPLUS J2104-0049

Credit: S-PLUS Survey

“Se trata de un tiempo que, de otro modo, se consideraría perdido por el observatorio”, dice Placco. Si bien las condiciones climáticas desfavorables pueden afectar la calidad de la observación (debido a la turbulencia atmosférica o la presencia de polvo en el aire) y puede, por ejemplo, dificultar y posponer observaciones detalladas de galaxias tenues, aún puede ser adecuado para observar estrellas relativamente brillantes de nuestra galaxia, especialmente cuando todo lo que se necesita es una espectroscopía de resolución media.

Basándose en las observaciones de Gemini Sur, Placco y sus colegas redujeron las 100 candidatas a sólo una estrella que parecía tener una metalicidad excepcionalmente baja. El nombre completo de catálogo de la estrella es SPLUS J210428.01−004934.2, pero nos referiremos a ella de forma resumida como SPLUS J2104−0049.

“En el paso final, utilizamos otro telescopio, el Magallanes-Clay de 6,5 metros del Observatorio Las Campanas en Chile para obtener datos de espectroscopía de alta resolución que utilizamos para calcular todas las abundancias químicas y llegar a una conclusión sobre la naturaleza de la estrella”, precisa Placco.

Y esa conclusión fue sorprendente: SPLUS J2104−0049 no era sólo una estrella ultra pobre en metales, sino que tenía la abundancia de carbono más baja jamás vista en una estrella, en comparación con las otras 34 estrellas ultra pobres en metales ya conocidas, que tienen abundancias altas en carbono.

En ese sentido, SPLUS J2104−0049 ya está planteando un desafío sobre lo que los astrónomos creían saber sobre las estrellas ultra pobres en metales. La nube de gas que formó SPLUS J2104−0049 hace más de 10 mil millones de años atrás debió ser increíblemente prístina, enriquecida únicamente por los restos de la supernova de una sola estrella de 30 masas solares que pudo pertenecer a la primera generación de estrellas.

El Southern Photometric Local Universe Survey (SPLUS), mapea el cielo del hemisferio sur con un telescopio de 0,83 metros en el Observatorio Cerro Tololo de NOIRLab en Chile

Credit: S-PLUS Survey

“Creemos que estamos viendo sólo la ‘información genética’ de la primera generación de estrellas. Esto es muy importante porque nos ayuda a limitar los modelos del nacimiento de las primeras estrellas y la evolución química del Universo y cómo se formaron las estructuras poco después del Big Bang”, dice Placco.

Entonces, a pesar de que los astrónomos todavía no han encontrado una de las estrellas de la primera generación, que no tendría ningún elemento pesado, lo realmente interesante sobre descubrir estrellas ultra pobres en metales como SPLUS J2104−0049, que pertenecen a la segunda generación, es que los astrónomos son capaces de inferir cómo podrían haber sido esas estrellas de la primera generación.

Esto es muy importante porque nos ayuda a limitar los modelos del nacimiento de las primeras estrellas y la evolución química del Universo y cómo se formaron las estructuras poco después del Big Bang

Hasta el momento, 34 estrellas ultra pobres en metales probablemente no sean una muestra lo bastante grande para sacar conclusiones firmes, pero Placco cree que si el número aumenta a unas 100, y con la ayuda de nuevos observatorios como el Observatorio Vera C. Rubin de NOIRLab, entonces estaríamos en condiciones de imaginar cómo podrían haber sido las primeras estrellas que iluminaron el Universo.