Un equipo internacional liderado por el investigador ICREA Mark Gieles, del Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universidad de Barcelona (ICCUB) y del Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña (IEEC), ha desarrollado un modelo que revela cómo las estrellas extremadamente masivas (EMS), con más de 1000 veces la masa del Sol, han regido el nacimiento y la evolución temprana de los cúmulos estelares más antiguos del universo.
El estudio, publicado en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, revela cómo estas gigantes estelares de corta vida influyeron profundamente en la química de los cúmulos globulares (CG), algunos de los sistemas estelares más antiguos y enigmáticos del cosmos.
Cúmulos globulares: Los antiguos archivos del universo
Los cúmulos globulares son grupos densos y esféricos 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 poco después del Big Bang.
Sus estrellas presentan enigmáticas firmas químicas, 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 complejos procesos de enriquecimiento durante la formación de cúmulos a partir de «contaminantes» extremadamente calientes.
Un nuevo modelo para la formación de cúmulos
El nuevo estudio se basa en un modelo de formación estelar conocido como modelo de flujo inercial, extendiéndolo a los entornos extremos del universo primitivo. Los investigadores demuestran que, en los cúmulos más masivos, el gas turbulento da origen de forma natural a estrellas extremadamente masivas (EEM) con masas entre 1000 y 10 000 masas solares. Estas EEM liberan potentes vientos estelares ricos en productos de combustión de hidrógeno a alta temperatura, que luego se mezclan con el gas prístino circundante y forman estrellas químicamente distintas.
«Nuestro modelo muestra que tan solo unas pocas estrellas extremadamente masivas pueden dejar una huella química permanente en todo un cúmulo», afirma Mark Gieles (ICREA-ICCUB-IEEC). «Finalmente, se vincula la física de la formación de cúmulos globulares con las firmas químicas que observamos hoy».
Las investigadoras Laura Ramírez Galeano y Corinne Charbonnel, de la Universidad de Ginebra, señalan que «ya se sabía que las reacciones nucleares en los centros de estrellas extremadamente masivas podían crear los patrones de abundancia adecuados. Ahora contamos con un modelo que proporciona una vía natural para la formación de estas estrellas en cúmulos estelares masivos».
Este proceso ocurre rápidamente —en un lapso de 1 a 2 millones de años— antes de que explote cualquier supernova, lo que garantiza que el gas del cúmulo permanezca libre de la contaminación de supernovas.
Una nueva ventana al universo primitivo y a los agujeros negros
Las implicaciones del descubrimiento van mucho más allá de la Vía Láctea. Las autoras proponen que las galaxias ricas en nitrógeno descubiertas por el Telescopio Espacial James Webb (JWST) probablemente estén dominadas por cúmulos globulares ricos en masa efectiva (EMS, por sus siglas en inglés) formados durante las primeras etapas de la formación de galaxias.
«Las estrellas extremadamente masivas podrían haber desempeñado un papel clave en la formación de las primeras galaxias», añade Paolo Padoan (Dartmouth College e ICCUB-IEEC). «Su luminosidad y producción química explican de forma natural las protogalaxias enriquecidas en nitrógeno que observamos actualmente en el universo primitivo con el JWST».
Es probable que estas estrellas colosales terminen sus vidas colapsando en agujeros negros de masa intermedia (más de 100 masas solares), que podrían detectarse mediante señales de ondas gravitacionales.
El estudio proporciona un marco unificador que conecta la física de la formación estelar, la evolución de los cúmulos y el enriquecimiento químico. Sugiere que las estrellas extremadamente masivas fueron factores clave en la formación temprana de galaxias, enriqueciendo simultáneamente los cúmulos globulares y dando origen a los primeros agujeros negros.
Con información de Monthly Notices of the Royal Astronomical Society
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