Estrellas masivas forjan los cúmulos estelares más antiguos del universo

Un equipo internacional, encabezado 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), desarrolló un modelo que revela cómo las estrellas extremadamente masivas (EMS), con más de 1,000 veces la masa del sol, han gobernado 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, muestra cómo estos gigantes estelares de corta vida influyeron profundamente en la química de los cúmulos globulares (GC), que son algunos de los sistemas estelares más antiguos y enigmáticos del cosmos.

Cúmulos globulares: Archivos antiguos 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 tiene más de 10 mil millones de años, lo que indica que se formaron poco después del Big Bang.

Las estrellas en estos cúmulos presentan firmas químicas desconcertantes, como abundancias inusuales de elementos como helio, nitrógeno, oxígeno, sodio, magnesio y aluminio, que han desafiado la explicación durante décadas. Estas "múltiples poblaciones" apuntan a procesos de enriquecimiento complejos durante la formación del cúmulo 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 el modelo de influjo inercial, extendiéndolo a los entornos extremos del universo temprano. Los investigadores demostraron que, en los cúmulos más masivos, el gas turbulento da lugar naturalmente a estrellas extremadamente masivas (EMS) que pesan entre 1,000 y 10,000 masas solares. Estas EMS 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.

El modelo muestra que solo unas pocas estrellas extremadamente masivas pueden dejar una huella química duradera en todo un cúmulo, según 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, señalaron que "ya se sabía que las reacciones nucleares en los centros de las estrellas extremadamente masivas podrían crear los patrones de abundancia apropiados. Ahora tenemos un modelo que proporciona un camino natural para formar estas estrellas en cúmulos estelares masivos".

Este proceso ocurre rápidamente, dentro de 1 a 2 millones de años, antes de que explote cualquier supernova, asegurando que el gas en el cúmulo permanezca libre de contaminación por supernovas.

Una nueva ventana al universo temprano y a los agujeros negros

Las implicaciones del descubrimiento se extienden mucho más allá de la Vía Láctea. Los autores proponen que las galaxias ricas en nitrógeno descubiertas por el Telescopio Espacial James Webb (JWST) están probablemente dominadas por cúmulos globulares ricos en EMS formados durante las primeras etapas de la formación de galaxias.

"Las estrellas extremadamente masivas pueden haber desempeñado un papel clave en la formación de las primeras galaxias", agregó Paolo Padoan (Dartmouth College y 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".

Estas colosales estrellas probablemente terminarán sus vidas colapsando en agujeros negros de masa intermedia (más de 100 masas solares), que podrían ser detectados por 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 EMS fueron motores clave de la formación temprana de galaxias, enriqueciendo simultáneamente los cúmulos globulares y dando origen a los primeros agujeros negros.

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