Un equipo de astrónomos descubre restos de las primeras estrellas en nubes de gas distantes
3 de Mayo de 2023
Utilizando el Very Large Telescope (VLT) de ESO, un equipo de investigadoras e investigadores ha detectado, por primera vez, las huellas dejadas por la explosión de las primeras estrellas del universo. Han detectado tres nubes de gas distantes cuya composición química coincide con lo que esperamos de las primeras explosiones estelares. Estos hallazgos nos ayudan a comprender un poco más acerca de la naturaleza de las primeras estrellas que se formaron después del Big Bang.
"Por primera vez, hemos podido identificar los rastros químicos de las explosiones de las primeras estrellas en nubes de gas muy distantes", afirma Andrea Saccardi, estudiante de doctorado en el Observatorio de París - PSL, quien dirigió este estudio durante su tesis de master en la Universidad de Florencia.
La comunidad investigadora cree que las primeras estrellas que se formaron en el universo eran muy diferentes a las que vemos hoy. Cuando aparecieron, hace 13.500 millones de años, contenían solo hidrógeno y helio, los elementos químicos más simples de la naturaleza [1]. Estas estrellas, que se cree que son decenas o cientos de veces más masivas que nuestro Sol, murieron rápidamente a través de potentes explosiones conocidas como supernovas, enriqueciendo por primera vez el gas circundante con elementos más pesados. Las generaciones posteriores de estrellas nacieron de ese gas enriquecido y, a su vez, expulsaron elementos más pesados a medida que también morían. Pero las primeras estrellas ya no están, entonces, ¿cómo pueden la comunidad científica saber más sobre ellas? "Las estrellas primordiales pueden estudiarse indirectamente detectando los elementos químicos que dispersaron en su entorno después de su muerte", dice Stefania Salvadori, profesora asociada de la Universidad de Florencia y coautora del estudio publicado hoy en la revista Astrophysical Journal.
Utilizando datos tomados con el VLT de ESO, en Chile, el equipo encontró tres nubes de gas muy distantes, vistas cuando el universo tenía solo el 10-15% de su edad actual, y con una huella química que coincide con lo que esperamos de las explosiones de las primeras estrellas. Dependiendo de la masa de estas primeras estrellas y de la energía de sus explosiones, estas primeras supernovas liberaron diferentes elementos químicos como carbono, oxígeno y magnesio, que están presentes en las capas externas de las estrellas. Pero algunas de estas explosiones no fueron lo suficientemente energéticas como para expulsar elementos más pesados como el hierro, que se encuentra solo en los núcleos de las estrellas. Para buscar el signo revelador de estas primeras estrellas que explotaron como supernovas de baja energía, el equipo buscó nubes de gas distantes pobres en hierro, pero ricas en otros elementos. Y encontraron precisamente eso, tres nubes lejanas en el universo temprano con muy poco hierro pero mucho carbono y otros elementos: la huella dactilar de las explosiones de las primeras estrellas.
Esta peculiar composición química también se ha observado en muchas estrellas viejas de nuestra propia galaxia, que los investigadores consideran estrellas de segunda generación que se formaron directamente a partir de las "cenizas" de las primeras. Este nuevo estudio ha encontrado estas cenizas en el universo temprano, agregando así una pieza que faltaba en este rompecabezas. "Nuestro descubrimiento abre nuevas vías para estudiar indirectamente la naturaleza de las primeras estrellas, complementando del todo los estudios de estrellas en nuestra galaxia", explica Salvadori.
Para detectar y estudiar estas nubes de gas distantes, el equipo utilizó balizas de luz conocidas como cuásares, fuentes muy brillantes alimentadas por agujeros negros supermasivos en los centros de galaxias lejanas. A medida que la luz de un cuásar viaja a través del universo, pasa a través de nubes de gas donde diferentes elementos químicos dejan una huella en la luz.
Para encontrar estas huellas químicas, el equipo analizó datos sobre varios cuásares observados con el instrumento X-shooter en el VLT de ESO. X-shooter divide la luz en una gama extremadamente amplia de longitudes de onda o colores, lo que lo convierte en un instrumento único con el que identificar muchos elementos químicos diferentes en estas nubes distantes.
Este estudio abre nuevas ventanas para telescopios e instrumentos de próxima generación, como el próximo Extremely Large Telescope (ELT) de ESO y su espectrógrafo Echelle de alta resolución ANDES (ArmazoNes high Dispersion Echelle Spectrograph). "Con ANDES en el ELT podremos estudiar muchas de estas raras nubes de gas con mayor detalle, y finalmente podremos descubrir la misteriosa naturaleza de las primeras estrellas", concluye Valentina D'Odorico, investigadora del Instituto Nacional de Astrofísica de Italia y coautora del estudio.
Notas
[1] Minutos después del Big Bang los únicos elementos presentes en el Universo eran los tres más ligeros: hidrógeno, helio y trazas muy pequeñas de litio. Los elementos más pesados se formaron mucho más tarde en las estrellas.
Información adicional
Este trabajo de investigación se ha presentado en un artículo científico publicado en la revista Astrophysical Journal (doi: 10.3847/1538-4357/acc39f).
El equipo está formado por Andrea Saccardi (GEPI, Observatorio de París, Universidad PSL, CNRS, Francia; Departamento de Física y Astronomía, Universidad de Florencia, Italia [UFlorence]); Stefania Salvadori (UFlorence; INAF – Observatorio Astrofísico de Arcetri, Italia); Valentina D’Odorico (Escuela Normal Superior, Italia; INAF – Observatorio Astrofísico de Trieste, Italia [INAF Trieste]; IFPU – Instituto para la Física fundamental del Universo, Italia [IFPU]); Guido Cupani (INAF Trieste; IFPU); Michele Fumagalli (Departamento de Física G. Occhialini, Universidad de Milano Bicocca, Italia; INAF Trieste); Trystyn A. M. Berg (Departamento de Física G. Occhialini, Universidad de Milano Bicocca, Italia); George D. Becker (Departamento de Física & Astronomía, Universidad de California, EE.UU.); Sara Ellison (Departamento de Física & Astronomía, Universidad de Victoria, Canadá); Sebastián López (Departamento de Astronomía, Universidad de Chile, Chile).
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