Los astrónomos han teorizado durante mucho tiempo sobre la
existencia de una primera generación de estrellas — conocida por los astrónomos
como estrellas de población III — que nacieron del material primordial del Big
Bang [1]. Todos los elementos químicos más pesados (como oxígeno, nitrógeno,
carbono y hierro, que son esenciales para la vida) se forjaron en el interior
de las estrellas. Esto significa que las primeras estrellas debieron haberse formado
a partir de los únicos elementos que existían antes de las estrellas:
hidrógeno, helio y trazas de litio.
Estas estrellas de población III habrían sido enormes
(varios cientos o incluso mil veces más masivas que el Sol — ardientes y
efímeras —) y habrían acabado explotando como supernovas después de tan solo
unos dos millones años. Pero hasta ahora la búsqueda de la prueba física de su
existencia no había encontrado ninguna evidencia clara [2].
Un equipo dirigido por David Sobral, del Instituto de
Astrofísica y Ciencias del Espacio, la Universidad de Lisboa (Portugal) y el
Observatorio de Leiden (Países Bajos), ha utilizado el Very Large Telescope
(VLT de ESO) para mirar hacia el universo antiguo, hacia un periodo conocido
como reionización que tuvo lugar aproximadamente 800 millones de años después
del Big Bang. En lugar de llevar a cabo un estudio profundo y limitado de un
área pequeña del cielo, ampliaron su alcance para producir el sondeo más amplio
de galaxias muy lejanas jamás elaborado.
Este amplio estudio se hizo utilizando el VLT con ayuda del
Observatorio W. M. Keck y del telescopio Subaru, así como del Telescopio
Espacial Hubble de NASA/ESA. El equipo descubrió — y confirmó — una serie de
galaxias muy jóvenes asombrosamente brillantes. Una de ellas, bautizada como
CR7 [3], era un objeto excepcionalmente raro, sin duda la galaxia más brillante
nunca observada en esa etapa en el universo [4]. Con el descubrimiento de CR7 y
de otras galaxias brillantes, el estudio ya suponía un éxito, pero una nueva
revisión proporcionó más noticias emocionantes.
Los instrumentos X-shooter y SINFONI, instalados en el VLT,
descubrieron en CR7 una potente emisión de helio ionizado pero — crucial y
sorprendentemente — ninguna señal de elementos más pesados en una brillante
zona de la galaxia. Esto significó que el equipo había descubierto la primera
evidencia válida de la existencia de cúmulos de estrellas de población III que
habían ionizado el gas dentro de una galaxia en el universo temprano [5].
"El descubrimiento desafiaba nuestras expectativas
desde el principio", afirma David Sobral, "ya que no esperábamos
encontrar una galaxia tan brillante. Entonces, al descubrir la naturaleza de
CR7 paso a paso, comprendimos que no sólo habíamos descubierto la galaxia
lejana más luminosa, sino que también nos dimos cuenta de que cumplía todas y
cada una de las características esperadas de estrellas de población III. Esas
estrellas fueron las que formaron los primeros átomos pesados que, en última
instancia, nos ha permitido estar aquí. Realmente no hay nada más emocionante
que esto".
Dentro de CR7 se encontraron cúmulos de estrellas más azules
y un poco más rojas, indicando que la formación de estrellas de población III
había tenido lugar por oleadas, tal y como se había predicho. Lo que el equipo
observó de forma directa fue la última oleada de estrellas de población III,
sugiriendo que tales estrellas deben ser más fáciles de encontrar de lo que se
pensaba previamente: residen entre estrellas normales, en las galaxias más
brillantes, no sólo en las galaxias más tempranas, más pequeñas y más tenues,
que son tan débiles que son extremadamente difíciles de estudiar.
Jorryt Matthee, segundo autor del artículo, concluyó:
"siempre me he preguntado de dónde venimos. Incluso siendo niño quería
saber de dónde provienen los elementos: el calcio de mis huesos, el carbono de
mis músculos, el hierro de mi sangre. Descubrí que estos se formaron primero en
los inicios del universo, por la primera generación de estrellas. Con este notable
descubrimiento estamos empezando a ver estos objetos por primera vez".
Está previsto llevar a cabo observaciones con el VLT, ALMA y
el Telescopio Espacial Hubble de la NASA/ESA para confirmar, más allá de toda
duda, que lo que se ha observado son estrellas de población III y buscar e
identificar otros ejemplos.
Notas
[1] El nombre población III surgió porque los astrónomos ya
habían clasificado a las estrellas de la Vía Láctea como población I (estrellas
como el Sol, ricas en elementos más pesados y formando el disco) y población II
(estrellas más viejas, con un bajo contenido en elementos pesados y encontradas
en el halo y el bulbo de la Vía Láctea y en cúmulos globulares de estrellas).
[2] Encontrar estas estrellas es muy difícil: han debido
tener una vida extremadamente breve y habrían brillado en un tiempo en el que
el universo era en gran parte opaco a su luz. Resultados anteriores incluyen
los siguientes estudios: Nagao, et al., 2008, donde no se detectó helio
ionizado; De Breuck et al., 2000, donde se detectó helio ionizado, pero junto
con carbono y oxígeno, así como claras firmas de un núcleo galáctico activo; y
Cassata et al., 2013, donde se detectó helio ionizado, pero de un ancho
equivalente o una intensidad muy bajos, y junto con carbono y oxígeno.
[3] El apodo de CR7 es la abreviatura de COSMOS Redshift 7,
una medida de su ubicación en términos de tiempo cósmico. Cuanto mayor es el
corrimiento al rojo, más lejana es la galaxia y más atrás en la historia del
universo se ve. A1689-zD1, una de las galaxias más antiguas jamás observadas,
por ejemplo, tiene un corrimiento al rojo de 7.5.
El apodo fue inspirado por el gran futbolista portugués,
Cristiano Ronaldo, conocido como CR7.
[4] CR7 es tres veces más brillante que el anterior titular,
Himiko, que se pensó era la única de su tipo en esa época tan temprana. Las
galaxias polvorientas, en etapas mucho más tardías en la historia del universo,
pueden irradiar una energía total mayor que la de CR7 en forma de radiación
infrarroja desde el polvo templado. La energía que proviene de CR7 es, en su
mayor parte, luz visible y ultravioleta.
[5] El equipo considera dos teorías alternativas: que la
fuente de la luz era o bien un AGN o bien estrellas Wolf-Rayet. La falta de
elementos pesados y de otras evidencias, refutan firmemente ambas teorías. El
equipo también considera que la fuente puede ser un agujero negro de colapso
directo, que son en sí mismos objetos exóticos y excepcionales puramente
teóricos. La falta de una línea ancha de emisión y el hecho de que las
luminosidades del hidrógeno y el helio fueran mucho mayores de lo predicho para
este tipo de agujeros negros indican que esto, también, es poco probable. La
falta de emisión de rayos X refutaría aún más esta posibilidad, pero se
necesitan observaciones adicionales.
Información adicional
Este trabajo de investigación se presentó en el artículo
científico titulado “Evidence for PopIII-like stellar populations in the most
luminous Lyman-α emitters at the epoch of re-ionisation: spectroscopic confirmation”,
por D. Sobral, et al., aceptado para su publicación en la revista The
Astrophysical Journal.
El equipo está formado por David Sobral (Instituto de
Astrofísica y Ciencias del Espacio, Universidad de Lisboa, Lisboa, Portugal;
Departamento de Física, Facultad de Ciencias, Universidad de Lisboa, Lisboa,
Portugal; Observatorio de Leiden, Universidad de Leiden, Leiden, Países Bajos);
Jorryt Matthee (Observatorio de Leiden); Behnam Darvish (Departamento de Física
y Astronomía, Universidad de California, Riverside, California, EE.UU.); Daniel
Schaerer (Observatorio de Ginebra, Departamento de Astronomía, Universidad de
Ginebra, Versoix, Suiza; Centro Nacional de Investigaciones Científicas, IRAP,
Toulouse, Francia); Bahram Mobasher (Departamento de Física y Astronomía,
Universidad de California, Riverside, California, EE.UU.); Huub J. A.
Röttgering (Observatorio de Leiden); Sérgio Santos (Instituto de Astrofísica y
Ciencias del Espacio, Universidad de Lisboa; Departamento de Física,
Universidad de Lisboa, Portugal) y Shoubaneh Hemmati (Departamento de Física y
Astronomía, Universidad de California, Riverside, California, EE.UU.).
ESO es la principal organización astronómica
intergubernamental de Europa y el observatorio astronómico más productivo del
mundo. Cuenta con el respaldo de dieciséis países: Alemania, Austria, Bélgica,
Brasil, Dinamarca, España, Finlandia, Francia, Italia, Países Bajos, Polonia,
Portugal, el Reino Unido, República Checa, Suecia y Suiza, junto con el país
anfitrión, Chile. ESO desarrolla un ambicioso programa centrado en el diseño,
construcción y operación de poderosas instalaciones de observación terrestres
que permiten a los astrónomos hacer importantes descubrimientos científicos.
ESO también desarrolla un importante papel al promover y organizar la
cooperación en investigación astronómica. ESO opera en Chile tres instalaciones
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ESO opera el Very Large Telescope, el observatorio óptico más avanzado del
mundo, y dos telescopios de rastreo. VISTA (siglas en inglés de Telescopio de
Rastreo Óptico e Infrarrojo para Astronomía) trabaja en el infrarrojo y es el
telescopio de rastreo más grande del mundo, y el VST (VLT Survey Telescope,
Telescopio de Rastreo del VLT) es el telescopio más grande diseñado
exclusivamente para rastrear el cielo en luz visible. ESO es el socio europeo
de un revolucionario telescopio, ALMA, actualmente el mayor proyecto
astronómico en funcionamiento del mundo. Además, cerca de Paranal, en Cerro
Armazones, ESO está construyendo el E-ELT (European Extremely Large Telescope),
el telescopio óptico y de infrarrojo cercano de 39 metros que llegará a ser “el
ojo más grande del mundo para mirar el cielo”.
