Astrónomos encuentran posible primera evidencia de estrellas supermasivas en el origen de los cúmulos globulares

Los científicos han encontrado pruebas sólidas de que existían estrellas supermasivas dentro de los cúmulos globulares cuando se formaron hace 13.000 millones de años. Aquí, una imagen del cúmulo globular M13 en Hércules, a 22.000 años luz de la Tierra, que consta de un millón de estrellas comprimidas en un espacio de 150 años luz de diámetro. Crédito: HST STScI NASA ESA.

Un equipo de las universidades de Ginebra, París y Barcelona encontró pruebas sólidas de que las estrellas supermasivas pueden explicar las anomalías observadas en grandes cúmulos de estrellas.

Los cúmulos globulares son los cúmulos estelares más masivos y antiguos del Universo. Pueden contener hasta 1 millón de ellas. La composición química de estas estrellas, nacidas al mismo tiempo, muestra anomalías que no se encuentran en ninguna otra población de estrellas. Explicar esta especificidad es uno de los grandes retos de la astronomía. Después de haber intuido que las estrellas supermasivas podrían estar en sus origenes, un equipo de las Universidades de Ginebra y Barcelona y el Institut d'Astrophysique de Paris (CNRS y la Universidad de la Sorbona) cree haber descubierto el primer rastro químico que atestigua su presencia en proto-cúmulos globulares, nacidos unos 440 millones de años después del Big Bang. Estos resultados, obtenidos gracias a las observaciones del telescopio espacial James-Webb, se leer en Astronomíay Astrofísica.

Los cúmulos globulares son agrupaciones muy densas de estrellas distribuidas en una esfera, con un radio que varía de una docena a cien años luz. Pueden contener hasta 1 millón de estrellas y se encuentran en todo tipo de galaxias. El nuestro es el hogar de unos 180 de ellos. Uno de sus grandes misterios es la composición de sus estrellas: ¿por qué es tan variada? Por ejemplo, la proporción de oxígeno, nitrógeno, sodio y aluminio varía de una estrella a otra. Sin embargo, todos nacieron al mismo tiempo, dentro de la misma nube de gas. Los astrofísicos hablan de “anomalías de abundancia”.

Monstruos con vidas muy cortas

Un equipo de las universidades de Ginebra (UNIGE) y Barcelona, y el Institut d'Astrophysique de Paris (CNRS y Sorbonne University) ha realizado un nuevo avance en la explicación de este fenómeno. En 2018 había desarrollado un modelo teórico según el cual las estrellas supermasivas habrían "contaminado" la nube de gas original durante la formación de estos cúmulos, enriqueciendo sus estrellas con elementos químicos de manera heterogénea. “Hoy, gracias a los datos recopilados por el Telescopio Espacial James-Webb, creemos haber encontrado una primera pista de la presencia de estas extraordinarias estrellas”, explica Corinne Charbonnel, profesora titular del Departamento de Astronomía de la UNIGE. Facultad de Ciencias, y primer autor del estudio.

Estos monstruos celestiales son de 5.000 a 10.000 veces más masivos y cinco veces más calientes en su centro (75 millones de °C) que el Sol. Pero probar su existencia es complejo. Los cúmulos globulares tienen entre 10 y 13 mil millones de años, mientras que la vida máxima de las superestrellas es de dos millones de años. Por lo tanto, desaparecieron muy temprano de los cúmulos que actualmente son observables. Solo quedan rastros indirectos”, explica Mark Gieles, profesor ICREA de la Universidad de Barcelona y coautor del estudio.

Revelado por la luz

Gracias a la visión infrarroja muy poderosa del telescopio James-Webb, los coautores pudieron respaldar su hipótesis. El satélite captó la luz emitida por una de las galaxias más lejanas y jóvenes conocidas hasta la fecha en nuestro Universo. Ubicado a unos 13.300 millones de años luz, GN-z11 tiene solo unas pocas decenas de millones de años. En astronomía, el análisis del espectro de luz de los objetos cósmicos es un elemento clave para determinar sus características. Aquí, la luz emitida por esta galaxia ha proporcionado dos valiosas piezas de información.

Los astrónomos del Telescopio Espacial Hubble, que estudian el campo del hemisferio norte del Great Observatories Origins Deep Survey (GOODS), han medido la distancia a la galaxia más lejana jamás vista. El campo de estudio contiene decenas de miles de galaxias que se remontan muy atrás en el tiempo. Galaxy GN-z11, que se muestra en el recuadro, se ve como era hace 13.400 millones de años, solo 400 millones de años después del Big Bang, cuando el universo tenía solo el tres por ciento de su edad actual. La galaxia está ardiendo con estrellas azules jóvenes y brillantes, pero se ve roja en esta imagen porque su luz se ha estirado a longitudes de onda espectrales más largas por la expansión del universo. Crédito: ASA, ESA, P. Oesch (Universidad de Yale), G. Brammer (STScI), P. van Dokkum (Universidad de Yale) y G. Illingworth (Universidad de California, Santa Cruz).

“Se ha establecido que contiene proporciones muy altas de nitrógeno y una densidad de estrellas muy alta”, dice Daniel Schaerer, profesor asociado del Departamento de Astronomía de la Facultad de Ciencias de la UNIGE y coautor del estudio. Esto sugiere que se están formando varios cúmulos globulares en esta galaxia y que aún albergan una estrella supermasiva activa. "La fuerte presencia de nitrógeno solo puede explicarse por la combustión de hidrógeno a temperaturas extremadamente altas, que solo el núcleo de las estrellas supermasivas puede alcanzar, como lo muestran los modelos de Laura Ramírez-Galeano, estudiante de maestría en nuestro equipo", explica Corinne Charbonnel.

Estos nuevos resultados fortalecen el modelo del equipo internacional. El único actualmente capaz de explicar las anomalías de abundancia en los cúmulos globulares. El próximo paso para los científicos será probar la validez de este modelo en otros cúmulos globulares que se forman en galaxias distantes, utilizando los datos de James-Webb.

Fuente: Universidad de Ginebra.