Las primeras estrellas podrían haber aparecido cuando el Universo tenía solo 100 millones de años, o menos del 1 por ciento de su edad actual. Desde entonces, la rápida expansión del espacio ha llevado su luz al olvido, dejándonos buscar pistas sobre su existencia en fuentes cósmicas más cercanas a casa.
Al analizar la luz Al emerger de las nubes alrededor de un cuásar distante, investigadores de Japón, Australia y Estados Unidos encontraron que una “mezcla distintiva de elementos pesados” podría provenir de una sola fuente: la colosal supernova de una estrella de primera generación.
Todas las estrellas que podemos observar se clasifican como Población I o Población II, dependiendo de su edad. Las estrellas de la Población I son más jóvenes y contienen más elementos pesados, mientras que las estrellas de la Población II son más viejas y contienen menos elementos pesados.
Las primeras estrellas, descritas como Población III, son aún más antiguas y su existencia coincide con distancias cósmicas que las mantienen fuera de la vista incluso de nuestras mejores tecnologías. Por ahora, solo podemos teorizar cómo podrían haber sido.
Los científicos creen que esas primeras estrellas eran súper calientes, brillantes y masivas, quizás cientos de veces la masa de nuestro Sol.
Sin una historia de eventos cósmicos poderosos para generar elementos más pesados que el litio, las estrellas de Población III consistirían completamente en los gases más simples. En ese entonces, los únicos materiales disponibles en el Universo eran hidrógeno, helio y un poco de litio, que se encuentran en el gas primordial que quedó del Big Bang. Solo una vez que las primeras estrellas colapsaron en una violencia acalorada, pudieron emerger elementos más pesados.
Esas primeras estrellas probablemente concluyeron sus vidas con supernovas de inestabilidad de pares, un tipo teórico de supersupernova que solo es posible en estrellas tan masivas. A diferencia de otras supernovas, esta no dejaría restos estelares como una estrella de neutrones o un agujero negro, sino que expulsaría todo hacia el exterior en una nube en constante expansión.
Esa explosión podría haber sembrado el antiguo espacio interestelar con los elementos pesados necesarios para la formación de mundos rocosos como el nuestro, permitiendo así la vida tal como la conocemos, por lo que el efecto neto es positivo.
Sin embargo, para los astrónomos en la Tierra que ahora esperan aprender sobre las estrellas de Población III, la luz de esas antiguas mega explosiones se ha desvanecido en la distancia, dejando poco más que una nube difusa que contiene una mezcla compleja de elementos.
Con el tiempo, esa mezcla de material podría convertirse en algo nuevo. Para encontrar signos de tal concentración de polvo de estrellas, los autores del nuevo estudio utilizaron datos de espectrógrafo de infrarrojo cercano de uno de los cuásares más distantes conocidos: un tipo de núcleo galáctico activo o el centro extremadamente luminoso de una galaxia joven.
La luz de este cuásar había estado viajando a toda velocidad por el espacio durante 13.100 millones de años antes de llegar a la Tierra, señalan los investigadores, lo que significa que estamos viendo el cuásar como se veía cuando el Universo tenía solo 700 millones de años.
Un espectrógrafo es un instrumento que captura y divide la luz entrante, en este caso de un objeto celeste, en sus longitudes de onda componentes. Esto puede revelar qué elementos están presentes en un objeto lejano, aunque obtener esa información no siempre es fácil.
El brillo de las líneas en los espectros astronómicos puede depender de factores distintos a la abundancia de un elemento, señalan los autores, lo que puede complicar los esfuerzos para identificar elementos específicos.
Sin embargo, dos de los autores del estudio, los astrónomos Yuzuru Yoshii e Hiroaki Sameshima, ambos de la Universidad de Tokio, ya habían desarrollado un truco para solucionar este problema.
Su método, que implica el uso de la intensidad de la longitud de onda para estimar la prevalencia de los elementos, permitió al equipo de investigación analizar la composición de las nubes alrededor de este cuásar.
El análisis reveló una proporción extrañamente baja de magnesio a hierro en las nubes, que tenían 10 veces más hierro que magnesio en comparación con nuestro Sol. Esa fue una pista, dicen los investigadores, lo que sugiere que se trataba de material de la explosión cataclísmica de una estrella de primera generación.
“Era obvio para mí que el candidato a supernova para esto sería una supernova de inestabilidad de pares de una estrella de Población III, en la que toda la estrella explota sin dejar ningún remanente”. dice coautor Yuzuru Yoshii, astrónomo de la Universidad de Tokio.
“Estaba encantado y algo sorprendido de descubrir que una supernova de inestabilidad de pares de una estrella con una masa de unas 300 veces la del Sol proporciona una proporción de magnesio a hierro que concuerda con el bajo valor que obtuvimos para el cuásar”.
En 2014 se informó al menos otro rastro potencial de una estrella de Población III, señalan Yoshi y sus colegas, pero argumentan que este nuevo hallazgo es el primero en proporcionar una evidencia tan sólida.
Si tienen razón sobre lo que encontraron, esta investigación podría ser de gran ayuda para revelar cómo evolucionó la materia durante la historia del Universo. Pero para estar seguros, agregan, se necesitarán más observaciones para verificar rasgos similares en otros objetos celestes.
Es posible que no sea necesario que todas esas observaciones provengan de cuásares tan lejanos. Incluso si no quedan más estrellas de Población III en el Universo, la longevidad de sus remanentes de supernova significa que la evidencia podría estar escondida en casi cualquier lugar, incluido el Universo local que nos rodea.
“Ahora sabemos qué buscar; tenemos un camino”, dice coautor Timothy Beers, astrónomo de la Universidad de Notre Dame.
“Si esto sucedió localmente en el Universo primitivo, lo que debería haber sucedido, entonces esperaríamos encontrar evidencia de ello”.
Los hallazgos fueron publicados en El diario astrofísico.