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Estrella masiva de población III en el Universo primitivo. Esta impresión artística muestra un campo de estrellas de la población III tal y como habrían aparecido apenas 100 millones de años después del Big Bang. Los astrónomos podrían haber descubierto los primeros indicios de sus antiguos restos químicos en las nubes que rodean uno de los cuásares más distantes jamás detectados. Crédito: NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva/Spaceengine
Las primeras estrellas se formaron probablemente cuando el Universo tenía sólo 100 millones de años. Conocidas como estrellas de la Población III, estos objetos estelares eran tan masivos que, al explotar como supernovas, se desgarraron a sí mismos, sembrando el espacio interestelar con una mezcla distintiva de elementos pesados. Al analizar ULAS J1342+0928, uno de los cuásares más distantes conocidos, los astrónomos han identificado ahora el material remanente de la explosión de una estrella de primera generación. Han observado una composición muy inusual: el material contenía más de 10 veces más hierro que magnesio en comparación con la proporción de estos elementos que se encuentra en nuestro Sol. Creen que la explicación más probable para esta sorprendente característica es que el material fue dejado por una estrella de primera generación que explotó como una supernova de inestabilidad de pares.
"Según la cosmología del Big Bang, la nucleosíntesis no produce elementos pesados debido a la rápida disminución de la densidad y la temperatura a medida que el Universo se expande", afirman el astrónomo de la Universidad de Tokio Yuzuru Yoshii y sus colegas.
"Esto ha llevado a una interpretación inmediata de que los elementos pesados observados en varios objetos del Universo se sintetizan en el interior de las estrellas masivas y son expulsados por las supernovas".
"Por lo tanto, la primera generación de objetos estelares llamada Población III debería ser de estrellas masivas nacidas del gas de composición prístina que consiste casi exclusivamente en hidrógeno y helio".
"Si la función de masa inicial de las hipotéticas estrellas de la Población III se extendiera a masas tan bajas como la de 1 masa solar, sus vidas serían tan largas como la edad de la Galaxia, y sobrevivirían para ser observadas en la actualidad."
"En contra de lo esperado, a pesar de los grandes esfuerzos de observación realizados durante las últimas cuatro décadas, no se ha encontrado ninguna estrella sin metales detectables en ningún lugar de la Galaxia."
"Las explosiones de supernovas de inestabilidad de pares se producen cuando los fotones del centro de una estrella se convierten espontáneamente en electrones y positrones, la contraparte de antimateria con carga positiva del electrón", añadieron los astrónomos.
"Esta conversión reduce la presión de la radiación en el interior de la estrella, permitiendo que la gravedad la supere y dando lugar al colapso y posterior explosión".
"A diferencia de otras supernovas, estos dramáticos acontecimientos no dejan restos estelares, como una estrella de neutrones o un agujero negro, y en su lugar expulsan todo su material a su entorno".
"Sólo hay dos formas de encontrar pruebas de ellas. La primera es captar una supernova de inestabilidad de pares en el momento en que se produce, lo cual es una casualidad muy poco probable. La otra forma es identificar su firma química a partir del material que expulsan al espacio interestelar".
Para su investigación, los autores estudiaron los resultados de una observación previa realizada por el telescopio Gemini North de 8,1 m utilizando el espectrógrafo de infrarrojo cercano Gemini (GNIRS).
Un espectrógrafo divide la luz emitida por los objetos celestes en sus longitudes de onda constitutivas, que llevan información sobre qué elementos contienen los objetos.
Sin embargo, deducir las cantidades de cada elemento presente es una tarea complicada porque el brillo de una línea en un espectro depende de muchos otros factores además de la abundancia del elemento.
"Para mí era obvio que la supernova candidata sería una supernova de inestabilidad de pares de una estrella de población III, en la que toda la estrella explota sin dejar ningún remanente", dijo el Dr. Yoshii.
"Me encantó y me sorprendió un poco encontrar 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 y hierro que coincide con el bajo valor que obtuvimos para el cuásar".
Los resultados del equipo proporcionan la firma más clara de una supernova de inestabilidad de pares basada en la relación extremadamente baja de abundancia de magnesio y hierro presentada en ULAS J1342+0928.
Si efectivamente se trata 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 del Universo llegó a evolucionar hasta convertirse en lo que es hoy, incluidos nosotros.
"Ahora sabemos qué buscar; tenemos un camino", dijo el Dr. Timothy Beers, astrónomo de la Universidad de Notre Dame.
"Si esto ocurrió localmente en el Universo muy temprano, lo que debería haber ocurrido, entonces esperaríamos encontrar pruebas de ello".
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