Las primeras estrellas que se formaron en el universo se llaman estrellas de Población III.

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Son las estrellas más antiguas y eran masivas, luminosas y calientes, casi sin metales. La pequeña cantidad de metales que contenían procedía de las primeras supernovas entre ellos.

Los astrofísicos que trabajan con el JWST han encontrado una sorprendente cantidad de metal en una galaxia sólo 350 millones de años después del Big Bang. ¿Cómo encaja eso con nuestra comprensión del universo?

El origen de los primeros metales del universo es una cuestión fundamental en astrofísica. Poco después del Big Bang, el universo estaba formado casi en su totalidad por hidrógeno, el elemento más simple. Había un poco de helio, incluso menos litio y posiblemente una cantidad infinitesimal de berilio. Cuando miras la tabla periódica de los elementos, esos son los primeros cuatro.

El JWST tiene el poder de ver las galaxias más antiguas del universo, como se muestra en esta imagen de su primer campo profundo. Ahora, los astrofísicos han encontrado carbono en una de estas galaxias antiguas. Crédito: NASA, ESA, CSA y STScI

En astronomía, todos los elementos más pesados que el hidrógeno y el helio se denominan metales. Los metales se producen en las estrellas y en ningún otro lugar (excepto la pequeña cantidad producida por el propio Big Bang). Rastrear la formación de los metales del universo desde el Big Bang hasta ahora es una de las búsquedas fundamentales de la astrofísica.

La metalicidad es un concepto fundamental en nuestro estudio del universo. Sin metales, los planetas rocosos no se pueden formar. La vida tampoco. A lo largo de sucesivas generaciones de estrellas, la metalicidad del universo ha aumentado. Así que hay una trayectoria subyacente que surge de los primeros metales y conduce directamente a nosotros.

El estudio de galaxias antiguas es una de las principales misiones del Telescopio Espacial James Webb. El Estudio Extragaláctico Profundo Avanzado (JADES) de JWST examinó una región del cielo en busca de galaxias tempranas y débiles. Al mirar tan atrás en el tiempo hasta las primeras galaxias del universo, el JWST está arrojando luz sobre la metalicidad antigua.

Un equipo de investigadores que trabajaba con observaciones JADES examinó una galaxia sólo 350 millones de años después del Big Bang y encontró carbono. Es posible que también hayan encontrado oxígeno y neón, todos metales en astronomía. Sus hallazgos se encuentran en un nuevo artículo publicado en el servidor de preimpresión arXiv y titulado “JADES: Enriquecimiento de carbono 350 Myr después del Big Bang en una galaxia rica en gas”. El autor principal es Francesco D’Eugenio, astrofísico postdoctoral en el Instituto Kavli de Cosmología de Cambridge.

Esta ilustración muestra la “flecha del tiempo” desde el Big Bang hasta la época cosmológica actual. Según la teoría actual, en el universo primitivo dominado por estrellas de Población III, casi no había metales. Crédito: NASA

Las primeras estrellas que se formaron en el universo se llaman estrellas de Población III. Son las estrellas más antiguas y eran masivas, luminosas y calientes, casi sin metales. La pequeña cantidad de metales que contenían procedía de las primeras supernovas entre ellos.

Gran parte de nuestro conocimiento sobre las estrellas de Población III es teórico porque estas estrellas antiguas, en sus galaxias antiguas, son extremadamente difíciles de observar. Pero el JWST es capaz de hacerlo. No puede detectar estrellas individuales, pero su potente instrumento NIRSpec puede detectar diferentes elementos en la galaxia mediante sus reveladoras firmas luminosas.

Esta nueva investigación se basa en una galaxia en z=12,5 cerca del Amanecer Cósmico, una era crítica en la historia del universo. Cuando los investigadores estudiaron las observaciones del JWST, descubrieron una cantidad inesperada de carbono en la galaxia. Puede ser en el medio interestelar (ISM) o en el medio circungaláctico (CGM). “Se trata de la detección más lejana de una transición metálica y de la determinación más lejana del corrimiento al rojo a través de líneas de emisión”, explican. También es la “evidencia más distante de enriquecimiento químico” encontrada hasta la fecha.

Esta detección choca directamente con nuestra comprensión de las estrellas de población III libres de metales. “La detección de C iii, y su alto EW (ancho equivalente), descarta escenarios de poblaciones estelares prístinas”, escriben los autores.

Si Webb ha descartado la existencia de estrellas de población III prístinas y libres de metales, es una gran noticia. Es otro ejemplo del poderoso telescopio espacial que pone patas arriba nuestras mejores explicaciones sobre el universo que vemos a nuestro alrededor. Pero no es del todo impactante; la existencia de estrellas de población III es teórica. Considerando todo lo que sabemos sobre el universo, su existencia tenía sentido.

Pero las estrellas de población III nunca fueron una certeza.

Cuando se descubre algo como esto, los científicos se esfuerzan por considerar cualquier otra explicación posible para lo que están viendo.

La ilustración de este artista muestra un agujero negro supermasivo y su núcleo galáctico activo. Crédito: Laboratorio de imágenes conceptuales del Centro de vuelos espaciales Goddard/NASA

¿Realmente están viendo carbono en las estrellas de esta galaxia antigua y distante? ¿O podría haber algo más detrás de estas emisiones? La antigua galaxia tiene más que solo estrellas. También alberga un agujero negro supermasivo (SMBH). Cuando un SMBH se alimenta de materia, puede brillar intensamente como un núcleo galáctico activo (AGN). Esa señal luminosa podría ser lo que está viendo el JWST.

“Además, se ha identificado un agujero negro supermasivo en acreción en esta galaxia, lo que sugiere que la peculiar abundancia química podría estar asociada principalmente con su región nuclear”, explican los investigadores.

Hay otra fuente potencial de carbono en la galaxia. Son estrellas AGB, estrellas ramificadas gigantes asintóticas. Las estrellas AGB no son grandes estrellas explosivas como lo son las progenitoras de supernovas, pero son estrellas grandes que han abandonado la secuencia principal. En comparación con las supernovas, las estrellas AGB producen metales con suavidad.

Pero se necesita mucho tiempo para que una estrella evolucione hasta convertirse en una estrella AGB. Cuando el universo tenía sólo 350 millones de años, ninguna estrella había vivido lo suficiente como para convertirse en AGB. “…las estrellas AGB no pueden contribuir al enriquecimiento de carbono en estas épocas tempranas”, escriben los autores.

Al final, los investigadores informan de la detección de carbono, pero no pueden decirnos exactamente de dónde procede. Pueden ser “… la herencia de la primera generación de supernovas de los progenitores de la Población III”, escriben.

Esta figura de la investigación ilustra algunos de los hallazgos. El JWST tiene una variedad de filtros y prismas que emplea para diferentes aplicaciones, lo que puede hacer que algunas de estas imágenes sean difíciles de leer para el ojo inexperto. La principal conclusión de esta imagen es el pico CIII que se ve en verde. Crédito: D’Eugenio et al. 2023.

El JWST fue llevado al límite para ver esta galaxia primitiva. “Esta detección de la transición metálica más lejana, que ha proporcionado información tan valiosa sobre las primeras fases del enriquecimiento químico, ha requerido una exposición muy larga”, explican los autores. Se necesitaron 65 horas de JWST para recopilar estos datos debido a la extrema debilidad de la galaxia.

Incluso con todo ese tiempo de observación, los investigadores sólo pueden llegar a explicaciones provisionales para la metalicidad que ven. No es muy práctico utilizar 65 horas de tiempo del JWST para estudiar una galaxia espectroscópicamente, pero eso es lo que el JWST debe hacer para este tipo de espectroscopia precisa. Eso puede cambiar en el futuro.

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“Sin embargo, en el futuro, los estudios de áreas grandes y las lentes gravitacionales pueden ayudar a identificar más galaxias con un alto corrimiento al rojo que sean lo suficientemente brillantes para un seguimiento espectroscópico profundo con exposiciones más cortas”, escriben los investigadores.

Cuando eso suceda, los astrofísicos tendrán el tan buscado tamaño de muestra más grande. Con esos valiosos datos en la mano, tal vez puedan llegar a una explicación más firme para este sorprendente hallazgo.