Descubren evidencias de las primeras estrellas del Universo

Observaciones de un cuásar distante revelan la muerte de una posible estrella de primera generación en una explosión de supernova

28 Septiembre 2022

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.

Notas

[1] La luz de este cuásar ha estado viajando por 13.100 millones de años, lo que quiere decir que los astrónomos están observando este objeto precisamente como era cuando el Universo tenía apenas 700 millones de años de edad. Esto corresponde a un corrimiento al rojo de 7.54.

Más Información

Yoshii, Y., Sameshima, H., Tsujimoto, T., Shigeyama, T., Beers, T. C., and Peterson, B. A. (2022) “Potential signature of Population III pair-instability supernova ejecta in the BLR gas of the most distant quasar at z = 7.54∗” Publicado en el Astrophysical Journal. DOI: [pendiente]

NOIRLab de NSF (Laboratorio Nacional de Investigación en Astronomía Óptica-Infrarroja de NSF), el centro de EE. UU. para la astronomía óptica-infrarroja en tierra, opera el Observatorio internacional Gemini (una instalación de NSF, NRC–Canada, ANID–Chile, MCTIC–Brasil, MINCyT–Argentina y KASI – República de Corea), el Observatorio Nacional de Kitt Peak (KPNO), el Observatorio Interamericano Cerro Tololo (CTIO), el Centro de Datos para la Comunidad Científica (CSDC) y el Observatorio Vera C. Rubin (operado en cooperación con el National Accelerator Laboratory (SLAC) del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE). Está administrado por la Asociación de Universidades para la Investigación en Astronomía (AURA) en virtud de un acuerdo de cooperación con NSF y tiene su sede en Tucson, Arizona. La comunidad astronómica tiene el honor de tener la oportunidad de realizar investigaciones astronómicas en Iolkam Du’ag (Kitt Peak) en Arizona, en Maunakea, en Hawai‘i, y en Cerro Tololo y Cerro Pachón en Chile. Reconocemos y apreciamos el importante rol cultural y la veneración que estos sitios tienen para la Nación Tohono O’odham, para la comunidad nativa de Hawai‘i y para las comunidades locales en Chile, respectivamente.

Contactos

Yuzuru Yoshii
University of Tokyo
Correo electrónico: yoshii@ioa.s.u-tokyo.ac.jp

Timothy Beers
University of Notre Dame
Correo electrónico: tbeers@nd.edu

Charles Blue
Public Information Officer
NSF NOIRLab
Tel: +1 202 236 6324
Correo electrónico: charles.blue@noirlab.edu

Esta es una traducción del Comunicado de Prensa de NOIRLab noirlab2222.