El Universo antiguo es raro y reservado. Los científicos han logrado un progreso loable al descubrir más y más información sobre cómo comenzó el Universo y cómo eran las condiciones hace todos esos miles de millones de años. Potentes telescopios infrarrojos, especialmente el innovador Telescopio Espacial James Webb, han permitido a los astrónomos estudiar la antigua luz del Universo primitivo y eliminar parte del secreto.
Uno de los misterios que los astrónomos quieren desentrañar tiene que ver con la formación estelar. ¿Ha cambiado mucho desde los primeros días del Universo?
El Universo ha evolucionado mucho desde que se formaron las primeras estrellas, y los astrofísicos quieren saber si las estrellas se forman de manera diferente ahora que hace miles de millones de años. Hay un par de formas de estudiar la formación estelar del Universo antiguo. Una es usar el JWST y su capacidad para “mirar hacia atrás en el tiempo” de manera efectiva. Pero el tiempo de observación en ese telescopio tiene una demanda extremadamente alta. Otra forma de hacerlo es estudiar un lugar en el Universo moderno que imite al Universo antiguo.
Eso es lo que hizo un grupo de investigadores japoneses.
La principal diferencia entre las estrellas que se formaron hace miles de millones de años y las estrellas que se forman ahora tiene que ver con el material disponible durante el proceso. No solo la cantidad de material sino también lo enriquecido que está. Esto se conoce como metalicidad estelar. Muchos lectores de Universe Today saben que en astronomía, los elementos más pesados que el hidrógeno y el helio se denominan metales. Estos metales solo provienen de un lugar: las estrellas mismas.
Las estrellas crean elementos más pesados que el hidrógeno y el helio a través de la nucleosíntesis. Las intensas condiciones dentro de las estrellas masivas crean elementos como el oxígeno, el hierro, el carbono y todo lo que se encuentra en la tabla periódica debajo de H y He. Cuando estas estrellas explotan como supernovas o se despojan de sus capas externas como gigantes rojas, estos elementos son arrojados al espacio, disponibles para la próxima ronda de formación estelar.
Vivimos en un Universo donde innumerables estrellas han vivido y muerto, sintetizado elementos pesados y esparcidos por el espacio. En consecuencia, las estrellas en el Universo moderno se forman a partir de una variedad de elementos. Pero las primeras estrellas del Universo no tenían metales disponibles y consistían únicamente en hidrógeno y helio. (Como nota al margen, los planetas que se formaron alrededor de estas estrellas originales no podrían haber sido como la Tierra. Sin las generaciones anteriores de estrellas y los elementos más pesados que sintetizaron, los planetas rocosos no existirían, y nosotros tampoco).
La pregunta que los astrónomos quieren responder es si las estrellas se forman de manera diferente en un entorno de baja metalicidad, también conocido como el Universo antiguo, versus el Universo moderno rico en metales. Para averiguarlo, un equipo de investigadores localizó una región de formación estelar en la Vía Láctea que presentaba una metalicidad baja similar a la del Universo primitivo, en comparación con la metalicidad más alta del Universo contemporáneo.
La región se denomina Sh 2-209 (en lo sucesivo, S209).
La investigación fue dirigida por Chikako Yasui, profesora asistente en el Observatorio Astronómico Nacional de Japón. El equipo usó el Telescopio Subaru en Hawái para estudiar S209 y presentó sus resultados en un artículo titulado “Función de masa de un cúmulo joven en un entorno de baja metalicidad”. Sh 2-209” publicado en The Astrophysical Journal.
Podemos resumir rápidamente los grandes rasgos del proceso de formación estelar tal como lo entiende la ciencia.
Las cosas comienzan en una estructura masiva en el espacio llamada nube molecular gigante. Estas nubes contienen todo lo disponible para una estrella naciente. Las nubes están dominadas por hidrógeno, el elemento más abundante del Universo con diferencia, y también el más simple. Se llaman nubes moleculares porque los átomos de hidrógeno individuales no quieren estar solos. Les encanta tomarse de la mano, por lo que se unen como una molécula que contiene dos átomos de hidrógeno.
Estas nubes no son perfectamente uniformes en su estructura. Hay irregularidades, regiones donde el gas es más o menos denso y exhibe diferentes temperaturas, movimientos y velocidades. Eventualmente, se forman pequeños nudos o acumulaciones de gas en estas nubes y, con el tiempo, su gravedad atrae más gas hacia ellas. Eventualmente, se atrae suficiente material para formar una protoestrella, que emite algo de energía pero aún no ha comenzado la fusión. Solo cuando se ha reunido suficiente masa para llevar la presión y la temperatura del núcleo a extremos, comienza la fusión. Luego tenemos una estrella, comenzando su largo viaje a lo largo de la secuencia principal.
Pero, ¿cómo afectan los diferentes niveles de metalicidad a las estrellas que resultan de este proceso detallado? Los astrofísicos saben un par de cosas.
Una mayor metalicidad puede resultar en estrellas con temperaturas más bajas. Las estrellas con mayor metalicidad pueden ser más frías mientras están en la secuencia principal y en la rama gigante. También pueden aparecer más rojos. Nada de esto es particularmente sorprendente. Aunque los metales, es decir, elementos más pesados que el hidrógeno y el helio, constituyen solo alrededor del 2% de los bariones del Universo en masa, tienen un efecto poderoso en el calentamiento y enfriamiento durante la formación de estrellas. La metalicidad es uno de los factores más críticos en la formación de estrellas.
Pero cuando se trata de estrellas, la masa es el rey. El futuro de una estrella está determinado por su masa. Las estrellas enormes, muchas veces más masivas que nuestro Sol, se calientan y no duran mucho. Estos pueden terminar como supernovas. Las estrellas mucho menos masivas que nuestro Sol se denominan estrellas de baja masa y superan ampliamente en número a las estrellas de gran masa. Estas estrellas, incluidas las abundantes estrellas enanas rojas, pueden vivir billones de años.
Las estrellas rara vez se forman de forma aislada. Por lo general, se forman en cúmulos y, en estos cúmulos, las masas de las estrellas individuales son similares. ¿Las estrellas que se formaron en el Universo primitivo de baja metalicidad mantendrían esta similitud en masas?
S209 puede ayudar a responder esa pregunta porque tiene otra cosa a su favor además de su baja metalicidad. Está cerca, a solo unos 2,5 parsecs (8,1 años luz) de distancia. “Esto es lo suficientemente cercano como para permitirnos identificar claramente a los miembros del cúmulo (~1000 au de separación) hasta un límite de detección de masas de ~ 0,1 masas solares”, dice el artículo, “y hemos identificado dos cúmulos de formación estelar en S209, con escalas de cúmulos individuales de ~1 pc”.
Obviamente, es importante detectar la masa de las estrellas en S209 hasta 0,1 masas solares. Significa que las observaciones tienen menos margen de error, lo que hace que los resultados del estudio sean más sólidos.
S209 tiene dos cúmulos estelares separados. Uno es grande y el otro es pequeño, y el más grande contiene hasta 1500 estrellas. Este trabajo marca la primera vez que los astrónomos identifican un cúmulo con tantos miembros identificables en las regiones exteriores de la Vía Láctea. Es fundamental porque otras regiones similares contienen solo alrededor de 100 estrellas, una muestra demasiado pequeña para sacar conclusiones confiables. No solo eso, sino que el poder del Telescopio Subaru identificó estrellas tan pequeñas como 1/10 de la masa del Sol, hasta estrellas 20 veces la masa del Sol.
¿Cuál es el significado de esto? Todo se reduce a lo que se llama la función de masa inicial (IMF) y su utilidad para comprender las estrellas, los sistemas solares e incluso las galaxias.
El FMI describe la distribución de masa de una población de estrellas que se formaron juntas. Por lo tanto, no solo describe cómo se forman y evolucionan las estrellas, sino que también ayuda a describir cómo se forman y evolucionan las galaxias. El FMI puede ayudar a predecir cuántos tipos diferentes de estrellas y objetos estelares estarán contenidos en una región determinada, una parte fundamental para comprender el Universo.
Cuando se combinan, el IMF y la metalicidad estelar ayudan a dictar cómo se formarán las estrellas en un cúmulo determinado. A medida que se forman las estrellas, regulan su propia masa a través de la retroalimentación auto-radiativa. El efecto de la retroalimentación autorradiativa es más pronunciado en un entorno de baja metalicidad, por lo que estos entornos deberían producir más estrellas de gran masa.
Los resultados de este estudio lo confirman, y la investigación arrojó algunos resultados interesantes. S209 contiene algunas estrellas más que son más masivas que otras regiones de formación estelar en el vecindario, pero solo un poco más. S209 también tiene un poco más de estrellas que son menos masivas que el Sol.
“Se sabe que la parte exterior de la Vía Láctea tiene propiedades similares a las del Universo primitivo”, dijo Yasui. “Nuestros resultados sugieren que, aunque se formó una cantidad relativamente grande de estrellas masivas en el Universo primitivo, la cantidad no es muy diferente de la de los cúmulos estelares típicos en la actualidad”.
Entonces, ¿el Universo antiguo es extraño y reservado como dijimos al comienzo de este artículo? Es casi seguro, especialmente cuando se trata de cosas como la energía oscura y la materia oscura, los dos monolitos inexpugnables de la cosmología moderna.
Pero estos resultados muestran que la rareza no lo impregnaba todo. Las estrellas son los bloques de construcción básicos del Universo, y esta investigación indica que se formaron de la misma manera en ese entonces que ahora.
Con información de UniverseToday
