Descubren una de las estrellas químicamente más primitivas del universo

Unos astrónomos han descubierto una de las estrellas químicamente más primitivas de entre todas las identificadas: una antigua reliquia estelar que conserva la huella química de las primeras estrellas del universo. La estrella, denominada PicII-503, se encuentra en la diminuta y ultratenue galaxia enana Pictor II.

El descubrimiento fue posible gracias a la Cámara de Energía Oscura (DECam), fabricada por el Departamento de Energía de Estados Unidos y montada en el Telescopio Víctor M. Blanco de 4 metros de la Fundación Nacional de Ciencia de Estados Unidos (NSF), ubicado en el Observatorio Interamericano Cerro Tololo (CTIO) de la NSF en Chile, en el marco de un Programa del NOIRLab de la NSF.

La galaxia Pictor II se encuentra en la constelación de Pictor, contiene varios miles de estrellas y tiene más de diez mil millones de años. PicII-503 se encuentra en las afueras de la galaxia y contiene menos hierro que cualquier otra estrella con su composición medida hasta ahora fuera de la Vía Láctea y, además, presenta una sobreabundancia extrema de carbono. Estas características coinciden de forma inequívoca con las que poseen de las estrellas ricas en carbono observadas en los confines de la Vía Láctea, cuyos orígenes han sido, hasta ahora, un misterio.

El estudio ha sido dirigido por Anirudh Chiti, becario del Premio Brinson en la Universidad de Stanford, Estados Unidos.

La estrella azul grande en el centro de la imagen es PicII-503. (Foto: CTIO / NOIRLab / DOE / NSF / AURA. Procesamiento de la imagen: T.A. Rector (University of Alaska Anchorage / NSF NOIRLab), M. Zamani & D. de Martin (NSF NOIRLab). Con la colaboración de: Anirudh Chiti, Alex Drlica-Wagner. CC BY)

Las primeras estrellas del universo se formaron a partir de gas que contenía únicamente los elementos más simples: hidrógeno y helio. En sus núcleos extremadamente calientes, esta primera generación de estrellas creó los primeros elementos más pesados que el helio (como el carbono y el hierro), a los que los astrónomos se refieren como “metales”. Cuando estas estrellas explotaron como supernovas, liberaron esos elementos pesados al medio interestelar, donde más tarde serían reciclados para la siguiente generación de estrellas.

Las estrellas de segunda generación funcionan como cápsulas del tiempo: conservan las pequeñas cantidades de elementos pesados liberados durante la muerte explosiva de las primeras estrellas. Al buscar estas estrellas raras de baja metalicidad y estudiar su composición química, los científicos pueden comprender mejor cómo comenzó la producción de elementos en el Universo.

PicII-503 es el primer ejemplo inequívoco de una estrella de segunda generación en una galaxia enana ultra tenue. Fue identificada en los datos del estudio MAGIC (DECam Mapping the Ancient Galaxy in CaHK), un programa de observación de 54 noches diseñado para identificar las estrellas más antiguas y químicamente primitivas de la Vía Láctea y sus galaxias enanas compañeras. Gracias a un filtro de banda estrecha especializado, sensible a las características de absorción del calcio, los astrónomos pudieron estimar el grado de abundancia de los elementos más pesados que el helio en miles de estrellas utilizando únicamente datos de imágenes.

Entre los cientos de estrellas cercanas a Pictor II, los datos de MAGIC señalaron a PicII-503 como una candidata excepcionalmente pobre en elementos más pesados que el helio, lo que permitió a los investigadores seleccionarla para un estudio de seguimiento detallado. “Sin los datos de MAGIC, habría sido imposible aislar esta estrella de entre los cientos que se encuentran en las proximidades de la galaxia enana ultra tenue Pictor II”, explica Chiti.

Al combinar los datos de MAGIC, con observaciones del Telescopio Magallanes/Baade y el VLT (Very Large Telescope) del Observatorio Europeo Austral (ESO), el equipo descubrió que PicII-503 posee las abundancias de hierro y calcio más bajas de entre todas las medidas fuera de la Vía Láctea. Esta extrema escasez de hierro y calcio la convierte en el primer objeto que conserva claramente el enriquecimiento producido por las primeras estrellas en una galaxia enana arcaica.

“Descubrir una estrella que conserve inequívocamente los elementos pesados producidos por las primeras estrellas estaba al límite de lo que creíamos posible, dada la extrema rareza de estos objetos”, afirma Chiti. “Con la menor abundancia de hierro medida en una galaxia enana ultra tenue, PicII-503 ofrece una ventana sin precedentes a la producción inicial de elementos dentro de un sistema primordial”.

Aún más notable es que el equipo descubrió que PicII-503 tiene una relación carbono-hierro más de 1.500 veces mayor que la del Sol. Esta sobreabundancia coincide con la característica firma de carbono observada desde hace tiempo en las estrellas con bajo contenido en hierro del halo de la Vía Láctea. Estas se conocen como estrellas pobres en metales y ricas en carbono, y su origen ha permanecido desconocido hasta ahora.

Una hipótesis plantea que este tipo de estrellas pobres en metales y ricas en carbono son estrellas de segunda generación que conservan los elementos químicos producidos por supernovas de baja energía de estrellas de primera generación. En este proceso, los elementos pesados que se forman cerca del interior de la estrella —como el hierro— caen de nuevo hacia el objeto compacto remanente, mientras que los elementos más ligeros presentes en las capas externas —como el carbono— son expulsados al medio interestelar, donde contribuyen a la formación de la siguiente generación de estrellas.

PicII-503 respalda la explicación de las supernovas de baja energía porque se encuentra en una de las galaxias enanas más pequeñas conocidas. Si la supernova responsable de los metales presentes en PicII-503 hubiera sido de alta energía, estos elementos habrían escapado de la gravedad de la pequeña galaxia enana Pictor II. Además, PicII-503 sugiere que las estrellas pobres en metales y ricas en carbono observadas en el halo de la Vía Láctea probablemente se originaron en antiguas galaxias enanas que, con el tiempo, terminaron fusionándose con nuestra galaxia.

“Lo que más me entusiasma es que hemos observado el resultado de la producción de elementos más primitiva en una galaxia primordial, ¡es una observación fundamental!”, afirma Chiti. “Además, encaja perfectamente con la firma química que vemos en las estrellas con menor metalicidad del halo de la Vía Láctea, lo que conecta su origen con el enriquecimiento producido por las primeras estrellas de estos objetos”.

PicII-503 ofrece una visión directa y excepcional del primer capítulo de la evolución química del universo, un momento clave que finalmente sentó las bases para la formación de planetas, la química y la vida misma. También ayuda a conectar antiguos misterios sobre las estrellas más viejas de la Vía Láctea con sus orígenes en galaxias enanas primordiales.

El estudio se titula “Enrichment by the first stars in a relic dwarf galaxy”. Y se ha publicado en la revista académica Nature Astronomy.

El NOIRLab de la NSF opera diversos observatorios astronómicos y está administrado por la Asociación de Universidades para la Investigación en Astronomía (AURA) en virtud de un acuerdo de cooperación con la NSF. (Fuente: Association of Universities for Research in Astronomy)