¿Dónde están las primeras estrellas que se formaron tras el Big Bang?

Uno de los mayores retos a los que se enfrenta la astronomía actual es encontrar evidencias directas de las primeras estrellas que aparecieron en el universo. Pero esta tarea que suena tan sencilla es muchísimo más compleja de lo que parece.

Primeras estrellas

Todas las observaciones actuales apuntan a que el volumen del universo era tan pequeño en sus orígenes que los modelos físicos actuales aún no son capaces de describir el estado en el que se encontraban tanto la materia como el propio espacio-tiempo. Lo que sí sabemos es que, hace más 13 800 millones de años, el universo experimentó un repentino y violento proceso de expansión al que llamamos Big Bang.

En cuanto el universo comenzó a expandirse, la energía se fue repartiendo por un volumen cada vez mayor y el espacio se fue «enfriando». Los quarks aparecieron cuando la temperatura disminuyó por debajo de los 1 000 billones de grados, una billonésima de segundo después del Big Bang. A la millonésima de segundo de vida del universo, la temperatura rondaba los 10 millones de grados y esos quarks se estaban combinando y dando lugar a los primeros protones y neutrones.

Alrededor del 75% de los protones permanecieron sueltos, convertidos en núcleos de átomos de hidrógeno, el elemento más simple posible. El resto se agruparon en parejas con otros dos neutrones y produjeron núcleos atómicos de helio. Como resultado, la única materia que contenía el universo durante sus primeros cientos de millones de años de existencia eran gigantescas nubes de gas compuestas casi exclusivamente por hidrógeno y helio.

Las regiones más densas de estas nubes de gas se colapsaron bajo su propia gravedad y formaron gigantescas bolas compactas de hidrógeno y helio. La presión en el núcleo de estas bolas de gas era tan alta que los átomos de hidrógeno se veían forzados a combinarse entre ellos y producir núcleos de helio, un proceso llamado fusión nuclear. La energía liberada por la fusión de los núcleos de helio calentaba la masa de esas bolas de gas hasta la incandescencia, convirtiéndolas en las primeras estrellas. Pero, además, los núcleos de helio se combinaban y daban lugar a elementos más pesados, como el carbono, el oxígeno o el hierro. Por primera vez en la historia, en el universo habían aparecido los elementos que terminarían dando lugar a los planetas rocosos y a la vida.

Estrellas con vidas fugaces

Esas primeras estrellas que se formaron a partir de nubes de hidrógeno y helio puro eran inmensas, con masas hasta decenas de veces superiores a la de nuestro Sol. Este detalle es relevante para el tema que nos ocupa hoy porque las estrellas más grandes agotan su combustible mucho más deprisa que las pequeñas, lo que significa que estas estrellas primigenias vivieron muy poco tiempo en términos astronómicos, del orden de unos pocos millones de años. En comparación, una estrella mediana como el Sol tiene una esperanza de vida de unos 10 000 millones de años.

¿Y qué pasaba cuando estas primeras estrellas gigantes agotaban su combustible? Reventaban en forma de supernova y lanzaban al espacio todos esos elementos más pesados que el hidrógeno y el helio que habían formado en su interior.

Dado que las primeras estrellas del universo «contaminaron» el espacio con elementos pesados, las estrellas que se formaron después de ellas no están hechas de una mezcla de hidrógeno y helio pura, sino que contienen trazas del resto de los elementos de la tabla periódica. En este contexto, los astrónomos se refieren a todos esos elementos que no son hidrógeno ni helio como «metales» y a la cantidad que contiene una estrella como su «metalicidad».

Teniendo todo esto en cuenta, la teoría predice que debería ser posible observar tres «poblaciones» de estrellas en el firmamento. Las de Población III serían estrellas de hidrógeno y helio puros, las primeras que aparecieron tras el Big Bang. Las estrellas de Población II se habrían formado después de esta primera generación y su metalicidad es muy baja, de alrededor de un 0,1%. Las de estrellas Población I serían las que se han formado de manera más reciente e incluyen elementos pesados forjados en el interior de las dos generaciones de estrellas anteriores, así que su contenido en «metales» rondaría entre el 2 y el 3%.

Pues, bien, aunque la metalicidad de todas las estrellas conocidas encaja con las poblaciones de tipo I y II, no se ha detectado ninguna de esas estrellas «sin metales» que se formaron después del Big Bang. Aun así, las estrellas de Población III se están buscando de dos maneras.

Búsqueda paciente

Una línea de investigación asume que algunas de las primeras estrellas que se formaron no alcanzaron tamaños descomunales. Si esta hipótesis fuera correcta, entonces debería existir un número reducido de estrellas que de Población III en nuestra galaxia con órbitas estables que habrían sobrevivido hasta la actualidad gracias a su pequeño tamaño y su gran longevidad. Estas estrellas primigenias se podrían distinguir del resto por su bajísima metalicidad, pero, por desgracia, de momento no se ha encontrado ningún indicio de su existencia.

La segunda opción consiste en observar galaxias tan lejanas que la luz que observamos hoy en día proveniente de ellas fue emitida pocos cientos de millones de años después de que tuviera lugar el Big Bang. En otras palabras: estamos observando esas galaxias tal y como eran mientras se formaban, cuando tal vez aún conservaban algunas estrellas de Población III. Por tanto, la presencia de regiones azuladas repletas de estrellas jóvenes en estas galaxias extremadamente antiguas podría ser una evidencia a favor de la existencia de esa esquiva primera generación de estrellas... Que es precisamente lo que se observa en la galaxia Cosmos Redshift 7 (CR7), cuya luz fue emitida sólo 800 millones después del Big Bang.

CR7 es la galaxia más brillante conocida que se encuentra a esa distancia y sus regiones más luminosas tienen la particularidad de que su luz no presenta indicios de «metales». Esto parece indicar que las estrellas que emitieron esa luz estaban hechas de hidrógeno y helio prácticamente puros y que pertenecían a esa primera generación de astros de Población III. Y, aunque no se trata de una prueba irrefutable, se trata de la evidencia más sólida que se ha encontrado hasta la fecha de que esas primeras estrellas predichas por la teoría existen de verdad.

QUE NO TE LA CUELEN:

• Dado que el Sol tiene una metalicidad relativamente alta (1,4%), se considera que es una estrella perteneciente a la Población I.

REFERENCIAS (MLA):

• Jayanta Dutta et al. “Modeling the survival of Population III stars till present day”.
• David Sorbal et al. “Evidence for popiii-like stellar populations in the most luminous lyman-α emitters at the epoch of re-ionisation: spectroscopic confirmation”. The Astrophysical Journal (2015).