Los astrónomos dicen que han visto las primeras estrellas del universo

Un grupo de astrónomos que estudian detenidamente los datos del Telescopio Espacial James Webb (JWST) ha vislumbrado la luz de un isótopo raro de helio en una galaxia distante, lo que podría indicar la presencia de la primera generación de estrellas del universo.

Estas estrellas buscadas durante mucho tiempo y con el nombre inadecuado de "Población III" habrían sido enormes bolas de hidrógeno y helio esculpidas a partir del gas primordial del universo. Los teóricos comenzaron a imaginar estas primeras bolas de fuego en la década de 1970, con la hipótesis de que, después de una vida corta, explotaron como supernovas, forjando elementos más pesados ​​y arrojándolos al cosmos. Ese material estelar más tarde dio lugar a estrellas de Población II más abundantes en elementos pesados, luego a estrellas de Población I aún más ricas como nuestro sol, así como a planetas, asteroides, cometas y, finalmente, a la vida misma.

“Existimos, por lo tanto sabemos que debe haber habido una primera generación de estrellas”, dijo rebeca jugador de bolos, astrónomo de la Universidad de Manchester en el Reino Unido.

Ahora Xin Wang, astrónomo de la Academia de Ciencias de China en Beijing, y sus colegas creen que los han encontrado. “Es realmente surrealista”, dijo Wang. Todavía se necesita confirmación; el papel del equipo, publicado en el servidor de preimpresión arxiv.org el 8 de diciembre, está pendiente de revisión por pares en Naturaleza.

Incluso si los investigadores están equivocados, una detección más convincente de las primeras estrellas puede no estar muy lejos. JWST, que es transformando vastas franjas de la astronomía, se cree que es capaz de mirar lo suficientemente lejos en el espacio y el tiempo para verlos. El gigantesco telescopio flotante ya ha detectado galaxias distantes cuyas inusuales brillo sugiere que pueden contener estrellas de Población III. Y otros grupos de investigación que compiten por descubrir las estrellas con JWST están analizando sus propios datos ahora. “Esta es absolutamente una de las preguntas más candentes”, dijo mike normando, un físico de la Universidad de California en San Diego que estudia las estrellas en simulaciones por computadora.

Un descubrimiento definitivo permitiría a los astrónomos comenzar a investigar el tamaño y la apariencia de las estrellas, cuándo existieron y cómo, en la oscuridad primordial, se iluminaron repentinamente.

“Es realmente uno de los cambios más fundamentales en la historia del universo”, dijo Bowler.

Población III

Unos 400,000 años después del Big Bang, los electrones, protones y neutrones se asentaron lo suficiente como para combinarse en átomos de hidrógeno y helio. A medida que la temperatura seguía bajando, la materia oscura se fue acumulando gradualmente, arrastrando consigo a los átomos. Dentro de los grumos, el hidrógeno y el helio fueron aplastados por la gravedad, condensándose en enormes bolas de gas hasta que, una vez que las bolas fueron lo suficientemente densas, la fusión nuclear se encendió repentinamente en sus centros. Nacieron las primeras estrellas.

El astrónomo alemán Walter Baade categorizado las estrellas de nuestra galaxia en los tipos I y II en 1944. El primero incluye nuestro sol y otras estrellas ricas en metales; el último contiene estrellas más viejas hechas de elementos más ligeros. La idea de las estrellas de Población III entró en la literatura décadas después. En un artículo de 1984 que elevó su perfil, el astrofísico británico Bernard Carr describió el papel fundamental esta raza original de estrellas puede haber jugado en el universo primitivo. "Su calor o explosiones podrían haber reionizado el universo", escribieron Carr y sus colegas, "... y su rendimiento de elementos pesados ​​podría haber producido un estallido de enriquecimiento pregaláctico", dando lugar a estrellas posteriores más ricas en elementos más pesados.

Carr y sus coautores estimaron que las estrellas podrían haber crecido hasta alcanzar tamaños inmensos, entre unos pocos cientos y 100,000 XNUMX veces más masivas que nuestro sol, debido al gran volumen de gas hidrógeno y helio disponible en el universo primitivo.

Aquellas en el extremo más pesado del rango, las llamadas estrellas supermasivas, habrían sido relativamente frías, rojas e hinchadas, con tamaños que podrían abarcar casi todo nuestro sistema solar. Las variantes más densas y de tamaño más modesto de las estrellas de Población III habrían brillado al rojo vivo, con temperaturas superficiales de unos 50,000 grados centígrados, en comparación con solo 5,500 grados para nuestro sol.

En 2001, las simulaciones por computadora dirigidas por Norman explicaron cómo se pudieron formar estrellas tan grandes. En el universo actual, las nubes de gas se fragmentan en muchas estrellas pequeñas. Pero las simulaciones mostraron que las nubes de gas en el universo primitivo, al ser mucho más calientes que las nubes modernas, no podían condensarse tan fácilmente y, por lo tanto, eran menos eficientes en la formación de estrellas. En cambio, nubes enteras colapsarían en una sola estrella gigante.

Sus inmensas proporciones significaban que las estrellas tenían una vida corta, de unos pocos millones de años como máximo. (Las estrellas más masivas queman su combustible disponible más rápidamente). Como tales, las estrellas de Población III no habrían durado mucho en la historia del universo, tal vez unos cientos de millones de años cuando se disiparon las últimas bolsas de gas primordial.

Hay muchas incertidumbres. ¿Qué tan masivas se volvieron realmente estas estrellas? ¿Qué tan tarde en el universo existieron? ¿Y cuán abundantes eran en el universo primitivo? “Son estrellas completamente diferentes a las estrellas de nuestra propia galaxia”, dijo Bowler. "Son objetos tan interesantes".

Debido a que están tan lejos y existieron tan brevemente, encontrar evidencia de ellos ha sido un desafío. Sin embargo, en 1999, astrónomos de la Universidad de Colorado, Boulder, predijeron que las estrellas deberían producir una firma reveladora: una frecuencia específica de luz del helio-2. Esta forma inestable de helio solo contiene dos protones en su núcleo, mientras que el helio regular también tiene dos neutrones. “La emisión de helio en realidad no se origina dentro de las propias estrellas”, explicó James Trussler, astrónomo de la Universidad de Manchester; más bien, se creó cuando los fotones energéticos de las superficies calientes de las estrellas chocaron contra el gas que rodeaba a la estrella.

"Es una predicción relativamente simple", dijo Daniel Schaerer de la Universidad de Ginebra, quien amplió la idea en 2002. La caza estaba en marcha. 

En busca de las primeras estrellas

En 2015, Schaerer y sus colegas pensaron que podrían haber encontrado algo. Ellos detectó una posible pista de una firma de helio-2 en una galaxia primitiva distante que podría haber estado vinculada a un grupo de estrellas de Población III. Vista como apareció 800 millones de años después del Big Bang, la galaxia parecía contener la primera evidencia de las primeras estrellas en el universo.

Trabajo posterior dirigido por Bowler disputó los hallazgos. “Encontramos evidencia de emisión de oxígeno de la fuente. Eso descartó un escenario puro de Población III”, dijo. Un grupo independiente entonces no pudo detectar la línea de helio-2 visto por el equipo inicial. “No estaba allí”, dijo Bowler.

¿Otros podrían ir mejor?

Los astrónomos depositaron sus esperanzas en JWST, que se lanzó en diciembre de 2021. El telescopio, con su enorme espejo y su sensibilidad sin precedentes a la luz infrarroja, puede observar más fácilmente el universo primitivo que cualquier otro telescopio anterior. (Debido a que la luz tarda en viajar aquí, el telescopio ve objetos débiles y distantes tal como aparecieron hace mucho tiempo). El telescopio también puede realizar espectroscopia, descomponiendo la luz en sus longitudes de onda componentes, lo que le permite buscar el sello distintivo de helio-2 de Estrellas de la población III.

El equipo de Wang analizó los datos de espectroscopia de más de 2,000 de los objetivos de JWST. Una es una galaxia distante vista tal como apareció solo 620 millones de años después del Big Bang. Según los investigadores, la galaxia se divide en dos partes. Su análisis mostró que la mitad parece tener la firma clave de helio-2 mezclado con la luz de otros elementos, lo que podría apuntar a una población híbrida de miles de estrellas de Población III y otras. La espectroscopia de la segunda mitad de la galaxia aún no se ha realizado, pero su brillo sugiere un entorno más rico en Población III.

“Estamos tratando de solicitar tiempo de observación para JWST en el próximo ciclo para cubrir toda la galaxia”, dijo Wang, para “tener una oportunidad de confirmar tales objetos”.

La galaxia es un "rascador de cabezas", según Norman. Si los resultados del helio-2 resisten el escrutinio, dijo, "una posibilidad es un cúmulo de estrellas de Población III". Sin embargo, no está seguro de si las estrellas de la Población III y las estrellas posteriores podrían mezclarse tan fácilmente.

daniel ballen, astrofísico de la Universidad de Portsmouth, fue igualmente cauteloso. “Definitivamente podría ser evidencia de una mezcla de estrellas de Población III y Población II en una galaxia”, dijo. Sin embargo, aunque esta sería "la primera evidencia directa" de las primeras estrellas del universo, dijo Whalen, "no es una evidencia limpia". Otros objetos cósmicos muy calientes pueden producir una firma similar de helio-2, incluidos discos abrasadores de material que giran alrededor de los agujeros negros.

Wang cree que su equipo puede descartar un agujero negro como fuente porque no detectaron firmas específicas de oxígeno, nitrógeno o carbono ionizado que se esperarían en ese caso. Sin embargo, el trabajo aún espera la revisión por pares, e incluso entonces, las observaciones de seguimiento deberán confirmar sus posibles hallazgos.

Caliente en el camino

Otros grupos que usan JWST también están buscando las primeras estrellas.

Además de buscar helio-2, otro método de búsqueda, propuesto por el astrónomo Rogier Windhorst de la Universidad Estatal de Arizona y sus colegas en 2018, es usa la gravedad de cúmulos gigantes de galaxias para ver estrellas individuales en el universo primitivo. El uso de un objeto masivo como un cúmulo para distorsionar la luz y magnificar objetos más distantes (una técnica conocida como lente gravitacional) es una forma común en que los astrónomos obtienen vistas de galaxias distantes. Windhorst creía que incluso las estrellas individuales de Población III que se acercaban al borde de un cúmulo pesado “podrían, en principio, experimentar un aumento casi infinito” y aparecer a la vista, dijo.

Windhorst lidera un programa JWST que es intentando la tecnica. “Estoy bastante seguro de que en uno o dos años habremos visto algunos”, dijo. “Ya tenemos algunos candidatos”. Del mismo modo, Eros Vanzella, astrónomo del Instituto Nacional de Astrofísica de Italia, está dirigiendo un programa eso es estudiar un grupo de 10 o 20 estrellas candidatas de Población III usando lentes gravitacionales. “Solo estamos jugando con los datos ahora”, dijo.

Y queda la tentadora posibilidad de que algunos de los galaxias inesperadamente brillantes ya visto por JWST en el universo primitivo podría deber su brillo a las estrellas masivas de Población III. “Estas son exactamente las épocas en las que esperamos que se formen las primeras estrellas”, dijo Vanzella. “Espero… que en las próximas semanas o meses se detecten las primeras estrellas”.