Estrellas colosales forjaron los primeros cúmulos del universo

Un equipo internacional de astrofísicos, liderado por el investigador Mark Gieles del Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universidad de Barcelona (ICCUB) y el Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña (IEEC), presentó un nuevo modelo que explica cómo las estrellas extremadamente masivas (EMS), con más de 1,000 veces la masa del Sol, moldearon la formación y el desarrollo temprano de los cúmulos estelares más antiguos del universo.

La investigación, publicada en el Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, demostró que estas enormes y de corta vida jugaron un papel crucial en la determinación de la composición química de los cúmulos globulares (GC), que son algunos de los sistemas estelares más antiguos y enigmáticos conocidos.

Cúmulos globulares: testigos antiguos de la historia cósmica

Los cúmulos globulares son colecciones esféricas y densamente empaquetadas de cientos de miles a millones de estrellas, que se encuentran en casi todas las galaxias, incluida nuestra Vía Láctea. La mayoría de ellos tienen más de 10 mil millones de años, lo que sugiere que surgieron poco después del Big Bang.

Las estrellas dentro de estos cúmulos presentan composiciones químicas inusuales, con niveles inesperados de elementos como helio, nitrógeno, oxígeno, sodio, magnesio y aluminio. Estas variaciones desconcertantes, que durante mucho tiempo fueron un misterio para los astrónomos, sugieren procesos complejos que alteraron el gas del cual se formaron las estrellas, probablemente involucrando "contaminantes" extremadamente calientes.

Modelando el nacimiento de cúmulos antiguos

El nuevo estudio amplió una teoría existente llamada modelo de inflow inercial, aplicándola a las condiciones extremas del universo temprano. Los investigadores demostraron que en los cúmulos estelares más masivos, los flujos de gas turbulentos pueden generar naturalmente estrellas extremadamente masivas (EMS) que van de 1,000 a 10,000 veces la masa del Sol. Estos gigantes estelares producen vientos poderosos llenos de los productos de la fusión de hidrógeno a alta temperatura, que luego se mezclan con el gas puro circundante para crear estrellas con huellas químicas distintas.

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

Los investigadores Laura Ramírez Galeano y Corinne Charbonnel de la Universidad de Ginebra añadieron: "Ya se sabía que las reacciones nucleares en los centros de las estrellas extremadamente masivas podían crear los patrones de abundancia apropiados. Ahora tenemos un modelo que proporciona un camino natural para formar estas estrellas en cúmulos estelares masivos".

Todo este proceso se desarrolla rápidamente, en solo uno o dos millones de años, y ocurre antes de que se produzcan explosiones de supernova, evitando la contaminación del gas del cúmulo por material de supernova.

Desbloqueando pistas sobre el universo temprano y los agujeros negros

Los hallazgos tienen implicaciones que van más allá de la Vía Láctea. Los autores sugieren que las galaxias ricas en nitrógeno observadas por el Telescopio Espacial James Webb (JWST) probablemente contienen cúmulos globulares dominados por estrellas extremadamente masivas que se formaron en las primeras fases de la evolución de las galaxias.

"Las estrellas extremadamente masivas pueden haber desempeñado un papel clave en la formación de las primeras galaxias", señaló Paolo Padoan de Dartmouth College y el ICCUB-IEEC. "Su luminosidad y producción química explican naturalmente las proto-galaxias enriquecidas en nitrógeno que ahora observamos en el universo temprano con el JWST".

Se piensa que estas inmensas estrellas terminan sus vidas colapsando en agujeros negros de masa intermedia (que pesan más de 100 soles), que podrían ser detectables a través de ondas gravitacionales.

En general, el estudio ofrece una explicación cohesiva que conecta la formación estelar, el enriquecimiento químico y la creación de agujeros negros. Sugiere que las estrellas extremadamente masivas fueron cruciales para el desarrollo de las primeras galaxias, enriqueciendo simultáneamente los cúmulos globulares y dando origen a los primeros agujeros negros.