NeoFronteras

Las primeras estrellas podrían haber sido mucho más ligeras de lo que se había pensando en un principio.

Diagrama con los resultados de una simulación. Fuente: NASA/JPL-Caltech/Kyoto Univ.

No podemos ver las primeras estrellas que se formaron en el Universo, al menos no todavía. No podemos saber directamente cómo fueron, pero podemos hacer modelos sobre ellas y tratar de ver cómo pueden crecer y formarse.
Hasta ahora se creía que esas primeras estrellas eran muy pesadas, con masas cientos de veces superiores a la del Sol. Ahora, nuevas simulaciones realizadas en JPL de la NASA muestran que basta con que sean decenas de veces más pesadas que el Sol. El límite inferior según estas nuevas simulaciones, que pueden llevar semanas de cálculos en los más rápidos computadores, es de 43 masas solares. Así que las primeras estrellas fueron masivas, pero no tanto como se creía. Los investigadores implicados se quedaron muy sorprendidos por estos resultados.
Según Takashi Hosokawa las simulaciones revelan que la formación de estas estrellas se para antes de lo esperado y como resultado tienen menores masas.
En un principio, unos ciento de millones de años después del Big Bang, el Universo consistía en nubes de hidrógeno y helio. Después las primeras estrellas entraron en ignición, pero no se sabe muy bien cómo se formaron.
Es fácil formar estrellas en la actualidad a partir de nebulosas de gas y polvo. Por un lado está la gravedad que intenta que esa nube colapse, es decir, tenderá a comprimir el gas. Para ello se necesitan “semillas” con gas más denso en algún lugar y la gravedad simplemente opera. Pero, como todo el mundo sabe, un gas que se comprime tiende a calentarse. Y un gas caliente tiende a expandirse y esto lo hace en este caso en sentido opuesto al dictado por la gravedad. Este proceso de colapso es favorecido en la actualidad por elementos más pesados, como el carbono, que permiten que el gas que está colapsando se enfríe y no se expanda. Los elementos pesados ayudan radiar el exceso de calor y a que la nube de gas colapse. Pero al comienzo del Universo no había tales elementos pesados.
Los científicos han teorizado cómo podrían colapsarse el gas que formó las primeras estrellas sin elementos pesados. Una solución es que haya una cantidad tan grande de gas que no se necesite la presencia de elementos pesados, polvo o moléculas. Básicamente la gravedad monopoliza el proceso. Los primeros modelos indicaban que estas primeras estrellas tenían que tener masas de miles de veces la del Sol. Luego, modelos posteriores predecían masas de cientos de veces la del Sol (2008, Christopher McKee, de la Universidad de California en Berkeley). Ahora parece que sólo se necesitan masas de decenas de veces la del Sol.
En sus simulaciones este equipo del JPL revela que la materia en la vecindad de una estrella primordial en formación se calienta a muy alta temperatura, hasta los 50.000 Kelvin concretamente (ocho veces y media la temperatura superficial del Sol). Este gas tan caliente escapa del pozo de gravedad de la estrella en formación en lugar de caer, así que la estrella en formación para su crecimiento antes de lo que se pensaba y no alcanza un tamaño tan descomunal.
Este resultado explica el enigma de las primeras supernovas. Cuanto más masiva es una estrella más rápidamente consume su combustible nuclear y, por encima de cierta masa, explota como una supernova enriqueciendo el medio con elementos pesados. Si las primeras estrellas eran tan masivas como se creía, entonces tenían que explotar al poco tiempo como una clase especial de supernova superviolenta y dejar un patrón específico de elementos pesados. Algo que no se ha encontrado hasta ahora. La respuesta a este enigma es sencilla: simplemente todas esas estrellas en explosión no estaba ahí porque las estrellas no eran tan masivas. Como máximo habría explosiones de supernova convencionales que dejarían el patrón de elementos pesados que se observa.
Lo bueno es que se espera que el telescopio espacial James Webb pueda observar esa época del Universo y aclarar este asunto directamente.
Por otro lado, Volker Bromm de la Universidad de Texas también ha llegado a la misma conclusión con otro modelo computacional. Según este investigador y sus colaboradores la formación de estas primeras estrellas se pararía incluso en las 30 masas solares en la mayoría de los casos. Así que parece que este capítulo está más o menos cerrado a la espera de datos observacionales directos.
Quedaría por comentar cómo una estrella hecha de sólo hidrógeno y helio puede tener reacciones de fusión sin la mediación de ciclos catalíticos formados por elementos más pesados, pero esa es otra historia.

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Fuentes y referencias:


Artículo de Bromm en ArXiv.