En busca de las primeras estrellas

Nuestro universo está atravesado por la luz de las estrellas. Aunque las distancias son enormes y ellas son, en comparación, minúsculas, su luz es el mensajero perfecto: capaz de recorrer miles de millones de años luz e iluminar, a cada paso, el vacío del espacio. Pero esto no siempre fue así. Hubo un tiempo, cuando el universo era joven, en que todavía no había estrellas y el espacio estaba totalmente oscuro. En ese mundo, que a nosotros nos resultaría irreconocible, se fueron encendiendo, poco a poco, las primeras estrellas, como luciérnagas en una noche sin luna. ¿Dónde fueron aquellas primeras pioneras?

De una cosa estamos seguros: ya no están entre nosotros. Lo sabemos porque podemos medir su composición. Aquel universo joven estaba formado casi exclusivamente por hidrógeno y helio, y las primeras estrellas tuvieron que estar hechas también de esos dos elementos. En cambio, en las estrellas de nuestro alrededor encontramos carbono, oxígeno, hierro, plomo… todo tipo de sustancias que aún no existían en los primeros años del universo. Sabemos que esas sustancias se fabrican, precisamente, en las estrellas: la fusión nuclear que ocurre en su interior transforma el hidrógeno en helio, el helio en carbono y oxígeno, y así sucesivamente hasta el hierro, el elemento más pesado que se ensambla en las cadenas de montaje de los núcleos de las estrellas. Después, cuando la estrella muere, esta valiosa carga de átomos se esparce por sus alrededores, fertilizando así el espacio interestelar.

Así pues, el hecho de que todas las estrellas que podemos ver estén hechas ya de estos materiales “procesados” demuestra que nacieron después de las primeras estrellas, en un universo que ya estaba fertilizado con esos elementos. ¿Por qué no ha llegado hasta nuestros días ninguna de las estrellas de primera generación?

Mini-guarderías para mega-estrellas

Creemos que el motivo es que aquellas primeras estrellas eran extremadamente grandes. Los modelos matemáticos nos dicen que el mundo en que se formaron tuvo que ser muy diferente al que conocemos: las galaxias como tales no existían todavía, y las primeras estrellas nacieron dentro de pequeñas nubes de gas que serían las semillas de las futuras galaxias. Para que nos hagamos una idea de hasta qué punto ese universo era un lugar más pequeño que el nuestro, la Vía Láctea mide hoy unos 200.000 años luz de lado a lado. Creemos que las nubes en las que se formaron las primeras estrellas no medirían más de 250 años luz, y que probablemente las estrellas se formaban sólo en los 4 años luz más interiores, en el corazón de la nube.

En ese entorno, en el que el gas estaría más caliente que en las galaxias modernas, se podrían formar estrellas más pesadas que las que vemos en la actualidad, con masas de 200 o 300 veces la masa del Sol. Es incluso posible que en algunas nubes se formara una sola estrella, con una masa cercana a 1000 veces la masa del Sol. Sabemos que estas estrellas tan masivas viven rápido, consumiendo a toda velocidad el combustible nuclear. Su vida podría ser tan breve como unos pocos millones de años, apenas un abrir y cerrar de ojos comparado con los 13.500 millones de años que han pasado desde entonces.

Si este relato es correcto, entonces se entiende que ninguna de las primeras estrellas haya llegado hasta nosotros. Lo que observamos ahora es, en el mejor de los casos, las “hijas” de esa generación, estrellas formadas con el material que las primeras estrellas expulsaron; nuestro Sol, por ejemplo, es ya de tercera generación, una “nieta” de las primeras estrellas.

Luz antigua, luz lejana

Pero que no las tengamos en nuestras cercanías no significa que no podamos ver las primeras estrellas. El universo es muy grande, lo suficiente como para que la luz de algunas estrellas tarde 13.500 millones de años en llegar a nosotros. Esa luz, por lo tanto, transporta la imagen de estrellas que ya no existen: precisamente lo que necesitamos para capturar una instantánea de las primeras estrellas. No podremos ver, pues, las primeras estrellas de la Vía Láctea, pero sí que podemos aspirar a ver las que se encendieron en otras galaxias extremadamente lejanas.

Esto, desde luego, tiene sus desventajas. La primera, que como esa luz nos llega desde muy lejos va a ser extremadamente débil. La segunda, que por haber recorrido una distancia tan larga en un universo en expansión, la luz nos llega corrida al rojo. O sea, que a pesar de que la luz que emitieron esas estrellas era de color azulado nosotros la veremos como infrarrojo. Lo primero quiere decir que vamos a necesitar un telescopio verdaderamente grande, de cerca de cien metros de diámetro (!). Lo segundo, que probablemente ese telescopio no podrá estar situado en la Tierra, porque la atmósfera de nuestro planeta absorbe y emite en el infrarrojo, con lo que enmascara la sutil señal que queremos observar.

Juntas, estas dos condiciones implican que no podremos tratar de observar estas primeras estrellas hasta, como pronto, finales del siglo XXI. La próxima generación de telescopios terrestres, que se pondrá en funcionamiento durante la década de los 20, tendrá un diámetro de en torno a 40 metros, y en ellos estará depositado lo mejor de lo mejor de la tecnología que tenemos hoy en día. La próxima generación de telescopios espaciales, abanderada por el James Webb, alcanzará un diámetro de 6,5 metros, pero es tal la complejidad técnica de poner un instrumento así en el espacio que el lanzamiento ya se ha retrasado varias veces. Ahora imaginemos que queremos poner en el espacio un telescopio de 100 metros.

Soñar a lo grande

El reto es abrumador, pero tenemos alguna idea tentativa sobre cómo podría ser un instrumento así. Uno de los grandes problemas de un telescopio gigante es cómo fabricar un espejo de esas dimensiones y que tenga, a la vez, una gran calidad. Si, además, queremos llevarnos ese espejo al espacio tenemos el problema adicional de cómo subir todo ese material allá arriba. Una idea ingeniosa podría darnos la solución: utilizar espejos líquidos.

En principio podríamos pensar que un líquido no es un buen material para fabricar un espejo: aunque existen líquidos muy reflectantes, como el mercurio, un líquido en principio no se puede moldear, sino que toma la forma del recipiente en que se encuentra. Pero ahora imaginemos lo siguiente: tenemos una vasija parcialmente llena con un líquido. Si dejamos la vasija en reposo, la superficie del líquido será plana, tal y como le dicta la gravedad. Pero si hacemos girar la vasija sucede una cosa curiosa: la fuerza centrífuga hace que el líquido “escale” por las paredes del recipiente, y ahora la superficie ya no es plana, sino que es una curva muy suave, más alta cerca de las paredes y más hundida en el centro. Esa curva es un paraboloide, y es precisamente la forma que queremos para el espejo de un telescopio.

Así que la idea de los espejos líquidos es, en principio, sencilla: queremos un recipiente ancho con cierta cantidad de un líquido muy reflectante y queremos hacer girar ese recipiente a una velocidad muy constante, de forma que la superficie del líquido, por las propias leyes de la física, adopte la forma de un paraboloide perfecto. Sobre ese paraboloide incidirá la luz, que saldrá reflejada hacia un objetivo convencional, como el de otros telescopios reflectores.

Esta idea, que parece bastante exótica, ya es una realidad. Varios prototipos han sido construidos, de los cuales el más grande mide seis metros de diámetro. El diseño, que es sin duda muy ingenioso, tiene la gran ventaja de que para hacer un espejo líquido hace falta mucho menos material que para hacer un espejo sólido, y no necesita ser pulido con precisión, porque la física hace ese trabajo por nosotros. Tiene, sin embargo, también desventajas: estos telescopios sólo pueden apuntar hacia arriba. No se pueden inclinar para apuntar adonde queramos o el espejo, literalmente, se cae chorreando al suelo. Son telescopios cenitales, que sólo pueden mirar al cénit.

Para nuestras intenciones, que son llevar este ingenio al espacio, los espejos líquidos tienen una característica más: necesitan la gravedad. La forma parabólica aparece por una combinación de la fuerza centrífuga y la gravedad, así que no podemos poner un instrumento así en órbita: ha de estar sobre un cuerpo con gravedad. El candidato más cercano, dado que la atmósfera descalifica a la Tierra, sería la Luna.

Así que, en conclusión, si algún día queremos ver las primeras estrellas nuestra mejor opción es irnos a la Luna, construir allí un recipiente giratorio de cien metros, llenarlo con un líquido reflectante y construir a su alrededor toda la óptica para transformarlo en un telescopio. Visto de esa manera, “finales del siglo XXI” quizá es una previsión salvajemente optimista. Sin duda de aquí a entonces aparecerán nuevas ideas y nuevas tecnologías. Lo que tendremos en el año 2100 seguramente no podemos ni imaginarlo en la actualidad. ¿Servirá para que las nuevas generaciones logren ver, al fin, las estrellas más antiguas? Sólo el tiempo lo dirá.

QUE NO TE LA CUELEN

• En la literatura científica a la primera generación de estrellas se la llama Población III. Para liar. Por si nos habíamos confiado. Toda la notación en este sentido está invertida: las “hijas” de la primera generación son la Población II, y las nietas, la Población I.
• Todo lo que sabemos sobre la formación de las estrellas de Población III proviene de modelos matemáticos sobre cómo se debería comportar el gas primordial, dada su composición y las características del universo primigenio. Los modelos son fiables y la física bastante conocida, pero aun así es fundamental que, algún día, observemos estas estrellas. Será la única manera de estar seguros de que el relato que hemos contado aquí es cierto.
• La idea de construir un telescopio de cien metros en la Luna es, a día de hoy, pura especulación. Es divertida, y es de las pocas ideas disponibles a día de hoy para observar las estrellas de Población III, pero no tenemos ni de lejos la tecnología para construir un instrumento así, y más importante todavía: no tenemos la infraestructura. Una instalación como ésa requeriría una base lunar con personal permanente que se encargara del mantenimiento del telescopio. Todas esas cosas nos quedan muy lejos en el futuro.

REFERENCIAS

• Volker Bromm et al. The formation of the first stars and galaxies. Nature, vol. 459, pp. 49–54 (2009)
• Anna Schauer et al. The Ultimately Large Telescope: What Kind of Facility Do We Need to Detect Population III Stars? The Astrophysical Journal, Volume 904, Number 2, pp. 145–153 (2020)
• Roger Angel et al. A Cryogenic Liquid-Mirror Telescope on the Moon to Study the Early Universe. The Astrophysical Journal, vol. 680, nº 2, pp. 1582–1594 (2008)