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Las primeras estrellas explotaban al poco de formarse en explosiones de supernovas asimétricas, lo que enriqueció el medio en más elementos pesados de lo que se creía.

Unos 380 000 años tras el Big Bang se produjo la recombinación del plasma primordial y aparecieron los átomos neutros, principalmente hidrógeno. Esto permitió que la luz circulara libremente. Básicamente el Universo se hizo transparente por primera vez al no haber ionización.

La luz quedó liberada y se propagó por todo el espacio. Era una luz roja, luz de cuerpo negro que corresponde la temperatura alta que había en ese momento para los estándares humanos.

El Universo siguió expandiéndose y con ello se alargó la longitud de onda de esos fotones. Al cabo de un tiempo se hicieron infrarrojos, lo que les hizo invisibles al ojo humano. El Universo se volvió oscuro para cualquier observador con visión humana, aunque, obviamente, en ese momento no había ningún observador.

La edad de las tinieblas se prolongó millones de años según el Universo se iba enfriado y el gas que contenía se iba condensando en agregados sobre los que podía actuar la gravedad.

Tuvieron que pasar varios cientos de millones de años hasta que entraran en ignición las primeras estrellas y se produjera el amanecer cósmico. Esas estrellas pertenecen a lo que se llama Población III y todavía no se ha detectado (de seguro) la luz de ninguna de ellas. Se cuenta ya, eso sí, con primeras pruebas o indicios de la existencia de esa Población III, aunque sea indirectamente debido a que estas estrellas volvieron a ionizar el medio.

Estas primeras estrellas eran muy pesadas y en su interior se fusionaba hidrógeno y helio en elementos más pesados como el carbono, el hierro o el zinc. Tuvieron vidas muy cortas, porque al cabo de escasos millones de años explotaban como supernovas. Desde el punto de visto astronómico explotaban casi inmediatamente.

Esas explosiones enriquecieron el medio con elementos más pesados que el helio que fueron reciclados en la siguiente generación de estrellas: las estrellas de la población II. De todos modos, la cantidad de elementos pesados en esta población II era muy escasa.

La segunda generación de estrellas contenía estrellas más ligera y, por tanto duraban más tiempo. Algunas de ellas han llegado hasta nuestros días y pueden ser observadas si somos capaces de verlas y de reconocerlas como tales.

La inmensa mayoría de estrellas que vemos en la actualidad corresponden a la tercera generación o población I de estrellas.

Hasta ahora se ha asumido que la explosión de estas supernovas primigenias debía tener simetría esférica, tal y como sucede en las supernovas que explotan en la actualidad. Un estudio reciente, en el que se modela computacionalmente este tipo de estrellas primordiales, desafía esa idea y propone que explotaban muy asimétricamente con chorros de materia que eran lanzados lejos de la estrella, incluso hacia galaxias primigenias cercanas.

Cuando una estrella muy masiva explota en forma de supernova se genera una agujero negro, así que que parte de la masa eyectada puede caer al agujero, por lo que puede darse poca disponibilidad de elementos pesados que hagan de semilla para la siguiente generación de estrellas.

Los investigadores del MIT que han realizado este estudio llegan a la conclusión de que la explosión asimétrica permitió lanzar elementos pesados lejos de la estrella y, por tanto, lejos del agujero negro que se generaba.

«Sólo cuando tienes algún tipo de mecanismo, como un chorro que lleva material lejos, puedes observar este tipo de material en la siguiente generación de estrellas. Creemos que esto es exactamente lo que pasó aquí», dice Anna Frebel (MIT).

Además, han hallado indicios de este fenómeno. Las pruebas las han encontrado en la estrella HE 1327-2326, que es muy vieja y pertenece a la segunda generación (Población II) de estrellas. En ella han podido medir la cantidad de zinc que posee y que procedería de la primera generación de estrellas (Población III).

La clave está en la cantidad de zinc, que es superior a lo que se esperaría si las supernovas de la primera generación explotaran con simetría esférica. La única explicación esperable para tal cantidad de zinc es que la explosión asimétrica habría enriquecido el medio con una sobreabundancia de zinc que luego pasaría a la siguiente generación de estrellas.

«Es la primera prueba observacional de que semejantes supernovas asimétricas tuvieron lugar en el Universo temprano. Esto cambia nuestra comprensión sobre cómo explotaban las primeras estrellas» dice Rana Ezzeddine (MIT)

Esta estrella, que se encuentra a 5000 años luz de nosotros, fue descubierta por Frebel en 2005. En esa fecha fue la estrella más pobre en «metales» (elementos más pesados que el helio en la jerga de los astrónomos) nunca observada. Este detalle era indicativo que pertenecía a la segunda población de estrellas.

En mayo de 2016 observaron esta estrella con el telescopio espacial Hubble durante dos semanas ya analizaron su luz con el espectrómetro Cosmic Origins Spectrograph que está a bordo del telescopio. Con ello pudieron medir las cantidades minúsculas de varios «metales» que hay en la estrella. Este espectrómetro está diseñado para funcionar en el ultravioleta (UV). La ventaja de esto es que algunas líneas espectrales, como las significativas del zinc, están en el UV. Ademas, buscaron las líneas del hierro y del fósforo. La señal del zinc fue muy clara e intensa, por que lo que la abundancia de este elemento era elevada para lo que cabría esperar. Esto fue una sorpresa.

Los colaboradores japoneses de este grupo se pusieron entonces a realizar simulaciones sobre explosiones de supernovas de la población III hasta totalizar cerca de las 10000. Comprobaron que bajo explosiones con simetría esférica no se podía producir la cantidad de zinc observada en HE 1327-2326.

Sin embargo, sí se producía esa abundancia de zinc para la segunda generación de estrellas si las supernovas de la primera generación de estrellas explotaban asimétricamente (ver ilustración).

Estas explosiones fueron colosales, con una potencia de 10³⁰ veces la de una bomba de hidrógeno. Eran unas 10 veces más energéticas que lo que los científicos han supuesto hasta ahora.

El resultado es importante para así comprender mejor la época de reonización, cuando las primeras estrellas ionizaron el medio otra vez. Se esperan recabar más pruebas indirectas sobre este fenómeno pronto
una vez se han tenido con el experimento EDGES.

Estas supernovas asimétricas debieron enviar elementos pesados incluso a galaxias vecinas primordiales que fueron así contaminadas con elementos más pesados que el helio. La ventaja es que, una vez se tienen elementos pesados, es más fácil formar nuevas estrellas, especialmente de las menos masivas.

«La hipótesis de trabajo es que quizás la segunda generación de estrellas de este tipo se formó en estos sistemas virginales contaminados y no en el mismo sistema de la supernova en sí, que es lo que siempre se había asumido sin pensar en otras alternativas. Así que esto abre un nuevo canal a la formación estelar temprana», dice Frenel.

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Fuentes y referencias:
Artículo original I.
Artículo original. II
Ilustración: Melanie Gonick.