Los astrónomos podrían haber descubierto los antiguos restos químicos de las primeras estrellas que iluminaron el Universo. Utilizando un innovador análisis de un cuásar distante observado por el telescopio Gemini North de Hawai, operado por el NOIRLab de la National Science Foundation (NSF), los científicos encontraron una inusual proporción de elementos que, según ellos, sólo podría provenir de los restos producidos por la explosión de una estrella de primera generación de 300 masas solares.
Las primeras estrellas se formaron probablemente cuando el Universo tenía sólo 100 millones de años, menos del uno por ciento de su edad actual. Estas primeras estrellas -conocidas como estrellas de Población III– eran tan titánicamente masivas que cuando terminaron su vida como supernovas se desgarraron, sembrando el espacio interestelar con una mezcla distintiva de elementos pesados. Sin embargo, a pesar de décadas de búsqueda diligente por parte de los astrónomos, no ha habido evidencia directa de estas estrellas primordiales, hasta ahora.
Al analizar uno de los cuásares más distantes conocidos utilizando el telescopio Gemini Norte, uno de los dos telescopios idénticos que conforman el Observatorio Internacional Gemini, operado por el NOIRLab de la NSF, los astrónomos creen ahora haber identificado el material remanente de la explosión de una estrella de primera generación. Utilizando un método innovador para deducir los elementos químicos contenidos en las nubes que rodean al cuásar, observaron 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.

Los científicos 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. Estas potentes explosiones de supernova nunca se han visto, pero se cree que son el final de la vida de estrellas gigantescas con masas entre 150 y 250 veces la del Sol.
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. Esta conversión reduce la presión de la radiación en el interior de la estrella, lo que permite que la gravedad la supere y provoque el colapso y la posterior explosión.
A diferencia de otras supernovas, estos dramáticos acontecimientos no dejan restos estelares, como una estrella de neutrones o un agujero negro, sino que expulsan todo su material a su entorno. Sólo hay dos maneras 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 muy poco probable. La otra es identificar su firma química a partir del material que expulsan al espacio interestelar.

Para su investigación, los astrónomos estudiaron los resultados de una observación anterior realizada por el telescopio Gemini North 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 los elementos que contienen los objetos. Gemini es uno de los pocos telescopios de su tamaño que cuenta con el equipo adecuado para realizar este tipo de observaciones.
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.
Dos coautores del análisis, Yuzuru Yoshii y Hiroaki Sameshima, de la Universidad de Tokio, han abordado este problema desarrollando un método que utiliza la intensidad de las longitudes de onda en el espectro de un cuásar para estimar la abundancia de los elementos allí presentes. Gracias a este método para analizar el espectro del cuásar, ellos y sus colegas descubrieron la llamativa baja proporción entre magnesio y hierro.

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 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 concuerda con el bajo valor que obtuvimos para el cuásar.
La búsqueda de evidencias químicas de una generación anterior de estrellas de alta masa de la Población III se ha realizado antes entre las estrellas del halo de la Vía Láctea y en 2014 se presentó al menos una identificación tentativa. Sin embargo, Yoshii y sus colegas creen que el nuevo resultado proporciona la firma más clara de una supernova de inestabilidad de pares basada en la relación de abundancia de magnesio y hierro extremadamente baja que presenta este cuásar.
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. Para comprobar esta interpretación de forma más exhaustiva, se necesitan muchas más observaciones para ver si otros objetos tienen características similares.
Pero es posible que también podamos encontrar las firmas químicas más cerca de casa. Aunque las estrellas de alta masa de la Población III se extinguieron hace mucho tiempo, las huellas químicas que dejan en su material expulsado pueden durar mucho más tiempo y aún pueden perdurar en la actualidad. Esto significa que los astrónomos podrían encontrar las firmas de las explosiones de supernovas de inestabilidad de pares de estrellas desaparecidas todavía impresas en objetos de nuestro Universo local.
Ahora sabemos qué buscar; tenemos un camino, dijo el coautor 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.
Fuentes
NOIRLab – Association of Universities for Research in Astronomy, Inc. | Yoshii, Y., Sameshima, H., Tsujimoto, T., Shigeyama, T., Beers, T. C., and Peterson, B. A. (2022) “Potential signature of Population III pair-instability supernova ejecta in the BLR gas of the most distant quasar at z = 7.54∗.” Published in the Astrophysical Journal. doi.org/10.3847/1538-4357/ac8163
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