¿Estrellas supermasivas en el origen de los cúmulos globulares?

La composición química de las estrellas nacidas en los cúmulos estelares más masivos y antiguos del universo muestra anomalías que no se encuentran en ninguna otra población de estrellas.

Un equipo de las universidades de Ginebra, París y Barcelona, con la participación del Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña (IEEC) a través del Instituto de Ciencias del Cosmos (ICC) de la Universidad de Barcelona (UB), ha hallado rastros de estrellas supermasivas que pueden explicar las anomalías observadas en los grandes cúmulos estelares.

Los cúmulos globulares son agrupaciones muy densas de estrellas distribuidas en una esfera, con un radio que varía entre una decena y un centenar de años-luz. Pueden contener hasta un millón de estrellas y se encuentran en todo tipo de galaxias. La nuestra alberga unos 180 de ellos. Uno de los grandes misterios es la composición de sus estrellas: ¿por qué es tan variada? A modo de ejemplo, la proporción de oxígeno, nitrógeno, sodio y aluminio varía de una estrella a otra. Sin embargo, todas nacieron al mismo tiempo, dentro de la misma nube de gas. Los astrofísicos llaman a esto «anomalías de abundancia».

El equipo de investigación, integrado por especialistas de la Universidad de Ginebra (UNIGE), el IEEC, el Instituto de Ciencias del Cosmos, y el Instituto de Astrofísica de París (adscrito al CNRS (Centro Nacional francés de Investigación Científica) y a la Universidad de la Sorbona) ha realizado un nuevo avance en la explicación de este fenómeno.

En 2018, el equipo había desarrollado un modelo teórico según el cual las estrellas supermasivas habrían «contaminado» la nube de gas original durante la formación de estos cúmulos, enriqueciendo sus estrellas con elementos químicos de forma heterogénea. «Hoy, gracias a los datos recogidos por el telescopio espacial James Webb, creemos haber encontrado una primera pista de la presencia de estas estrellas extraordinarias», explica Corinne Charbonnel, profesora titular del Departamento de Astronomía de la Facultad de Ciencias de la UNIGE y coautora del estudio.

Estos monstruos celestes eran entre 5.000 y 10.000 veces más masivos y cinco veces más calientes en su centro (75 millones de grados centígrados) que el Sol. Pero demostrar su existencia es complejo. «Los cúmulos globulares tienen entre 10.000 y 13.000 millones de años, mientras que la vida máxima de las superestrellas es de dos millones de años. Por tanto, desaparecieron muy pronto de los cúmulos actualmente observables. Solo quedan rastros indirectos», explica Mark Gieles, profesor ICREA e investigador del IEEC en el Instituto de Ciencias del Cosmos (ICC) de la Universidad de Barcelona, coautor del estudio.

Un cúmulo globular típico, Messier 13 (M13). (Foto: NASA / ESA / Hubble Heritage Team (STScI / AURA). Con la colaboración de: C. Bailyn (Yale University), W. Lewin (Massachusetts Institute of Technology), A. Sarajedini (University of Florida), y W. van Altena (Yale University))

Gracias a la potentísima visión infrarroja del telescopio espacial James Webb, los autores del estudio han logrado corroborar su hipótesis. El observatorio espacial captó la luz emitida por una galaxia situada a unos 13.300 millones de años-luz. Es una de las más distantes conocidas. Y, teniendo en cuenta que la vemos tal como era hace 13.300 millones de años, en la infancia del universo, es también, observacionalmente, una de las más primitivas conocidas.

Esta galaxia, llamada GN-z11, solo tiene unas decenas de millones de años de edad en la forma en que ahora la captamos desde este punto del universo.

En astronomía, el análisis del espectro luminoso de los objetos cósmicos es un recurso clave para determinar sus características. En este caso, la luz emitida por la galaxia ha proporcionado dos valiosas informaciones: se ha establecido que contiene proporciones muy elevadas de nitrógeno y una densidad muy alta de estrellas.

Esto sugiere que en esta galaxia se están (estaban) formando varios cúmulos globulares y que aún albergan una estrella supermasiva activa, ya que la fuerte presencia de nitrógeno solo puede explicarse por la combustión nuclear de hidrógeno a temperaturas extremadamente altas, que solamente el núcleo de las estrellas supermasivas puede alcanzar.

Estos nuevos resultados refuerzan el modelo del equipo internacional, el único capaz actualmente de explicar las citadas anomalías en los cúmulos globulares.

El próximo paso de los científicos será comprobar la validez de este modelo en otros cúmulos globulares que se forman en galaxias lejanas, utilizando datos del telescopio espacial James Webb.

El estudio se titula «N-enhancement in GN-z11: First evidence for supermassive stars nucleosynthesis in proto-globular clusters-like conditions at high redshift?». Y se ha publicado en la revista académica Astronomy and Astrophysics. (Fuente: IEEC / ICCUB / Université de Genève)