El legado de las estrellas arcaicas con más de mil veces la masa del Sol

Unos científicos han desarrollado un modelo digital innovador que revela cómo ciertas estrellas arcaicas y exóticas, que poseían una masa colosal, de más de 1000 veces la del Sol, gobernaron el nacimiento y la evolución primitiva de los cúmulos estelares más antiguos del universo.

Este trabajo es obra de un equipo internacional liderado por Mark Gieles, científico contratado por la Institución Catalana de Investigación y Estudios Avanzados (ICREA) y que trabaja en el Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universidad de Barcelona (ICCUB) así como en el Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña (IEEC).

El estudio revela cómo estos gigantes estelares de corta vida influyeron profundamente en la química de los cúmulos globulares, que son algunos de los conjuntos de estrellas más antiguos y enigmáticos del cosmos.

Cúmulos globulares: los archivos antiguos del universo

Los cúmulos globulares son grupos densos de forma esférica de cientos de miles o millones de estrellas que se encuentran en casi todas las galaxias, incluida la Vía Láctea. La mayoría tienen más de 10 000 millones de años, lo que indica que se formaron no mucho después del Big Bang.

Sus estrellas muestran firmas químicas desconcertantes, como abundancias inusuales de elementos como helio, nitrógeno, oxígeno, sodio, magnesio y aluminio, que han desafiado toda explicación durante décadas. Estas «poblaciones múltiples» apuntan a procesos de enriquecimiento complejos durante la formación de cúmulos a partir de «contaminantes» extremadamente calientes.

Un nuevo modelo de formación de cúmulos

El nuevo estudio se basa en un modelo de formación de estrellas conocido como IIM (inertial-inflow model), ampliándolo a los ambientes extremos del universo primigenio. Los investigadores muestran que, en los cúmulos más masivos, el gas turbulento da lugar de modo natural a estrellas colosales, con masas de entre 1000 y 10 000 veces la del Sol. Estas estrellas extremadamente masivas liberan potentes vientos estelares ricos en productos de la combustión de hidrógeno a altas temperaturas, que después se mezclan con el gas prístino circundante, dejando en este una huella química duradera.

«Nuestro modelo muestra que solo unas pocas estrellas extremadamente masivas pueden dejar una impronta química duradera en todo un cúmulo», afirma Mark Gieles. «Finalmente vincula la física de formación de los cúmulos globulares con las firmas químicas que observamos hoy en día».

Las investigadoras Laura Ramírez Galeano y Corinne Charbonnel, de la Universidad de Ginebra en Suiza, destacan que «ya se sabía que las reacciones nucleares en los centros de estrellas extremadamente masivas podían crear los patrones de abundancia adecuados. Ahora tenemos un modelo que proporciona un camino natural para formar estas estrellas en cúmulos estelares masivos».

Este proceso se desarrolla rápidamente (en un plazo de entre 1 millón de años y 2 millones) antes de que explote cualquier supernova, garantizando que el gas del cúmulo permanezca libre de contaminación por supernovas.

A la izquierda, representación artística del nacimiento de un cúmulo globular, con estrellas extremadamente masivas y potentes vientos estelares que enriquecen el cúmulo con contaminantes extremadamente calientes. A la derecha, un cúmulo globular antiguo tal como se observa actualmente: estrellas supervivientes con poca masa conservan trazas de los vientos de las estrellas extremadamente masivas, que desde entonces se han convertido en agujeros negros de masa intermedia. (Imagen: Fabian Bodensteiner; fondo: imagen del cúmulo globular Omega Centauri de la Vía Láctea, captada con la cámara WFI del Observatorio La Silla del ESO. CC BY)

Una nueva ventana al universo primitivo y a los agujeros negros

Las implicaciones del descubrimiento van mucho más allá de la Vía Láctea. Los autores del estudio proponen que las galaxias ricas en nitrógeno descubiertas por el telescopio espacial James Webb (JWST) en los confines del universo (y que, por tanto, son observadas tal como eran en un pasado lejano) están dominadas probablemente por cúmulos globulares ricos en estrellas extremadamente masivas, formados durante las primeras etapas de formación galáctica del universo.

«Las estrellas extremadamente masivas pudieron tener un papel clave en la formación de las primeras galaxias», añade Paolo Padoan (del Dartmouth College en Estados Unidos, así como del ICCUB y del IEEC). «Su luminosidad y su producción química explican de forma natural las protogalaxias enriquecidas en nitrógeno que ahora observamos en el universo primitivo con el JWST».

Es probable que estas estrellas colosales terminaran su vida derrumbándose sobre sí mismas y transformándose en agujeros negros de masa intermedia (más de 100 masas solares), que podrían ser detectados mediante señales de ondas gravitacionales.

La investigación proporciona un marco unificador que conecta la física de la formación estelar, la evolución de los cúmulos estelares y el enriquecimiento químico. Así, sugiere que las estrellas extremadamente masivas fueron motores clave de la formación galáctica primitiva, enriquecieron simultáneamente los cúmulos globulares y dieron lugar a los primeros agujeros negros.

El estudio se titula «Globular cluster formation from inertial inflows: accreting extremely massive stars as the origin of abundance anomalies». Y se ha publicado en la revista académica Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. (Fuente: Universitat de Barcelona)