James Webb detecta monstruos estelares primordiales de 10.000 masas solares

El universo primitivo engendró estrellas de una escala tan descomunal que resultaría incompatible con todo lo que observamos hoy. La galaxia GS 3073, vista cuando el cosmos apenas tenía mil millones de años, conserva en su composición química la huella inequívoca de aquellos gigantes perdidos.

El telescopio espacial James Webb se ha convertido en una máquina del tiempo capaz de escudriñar los primeros cientos de millones de años tras el Big Bang. Entre sus hallazgos más desconcertantes aparecen galaxias primitivas cuya composición química no encaja con ninguna de las estrellas conocidas en el universo actual.

Un equipo internacional de astrofísicos liderado por Devesh Nandal, de la Universidad de Virginia y el Centro de Astrofísica Harvard-Smithsonian, acaba de proponer una explicación que desafía nuestra comprensión del cosmos temprano: aquellas anomalías solo pueden explicarse si existieron estrellas primordiales con masas de entre mil y diez mil veces la de nuestro Sol. Los resultados de este trabajo se publican en la revista The Astrophysical Journal Letters.

Algo insólito

La clave del enigma reside en una galaxia denominada GS 3073, observada cuando el universo apenas contaba mil millones de años. Esta galaxia presenta una proporción entre nitrógeno y oxígeno extraordinariamente elevada, de 0,46, una cifra que ninguna población estelar conocida puede generar. Otras galaxias remotas como GN-z11 y CEERS 1019 también exhiben excesos de nitrógeno, aunque menos extremos, que podrían atribuirse a estrellas Wolf-Rayet, explosiones de supernovas relativistas o incluso los precursores de los cúmulos globulares. Sin embargo, ninguna de estas explicaciones funciona para GS 3073, cuyo exceso de nitrógeno resulta sencillamente inalcanzable con la física estelar convencional.

Los investigadores modelaron la evolución de estrellas supermasivas primigenias, las llamadas estrellas de Población III, que habrían emergido del gas prístino poco después del Big Bang. Utilizando el código de evolución estelar de Ginebra, simularon astros de entre mil y diez mil masas solares, analizando cómo su combustión nuclear produciría y distribuiría elementos como carbono, nitrógeno, oxígeno y neón.

Registro fósil estelar

La simulación demostró que, durante la fusión del helio en el núcleo de estas estrellas titánicas, el carbono producido asciende hasta capas donde el hidrógeno aún arde, transformándose en nitrógeno mediante el ciclo CNO. Las intensas corrientes convectivas dispersan ese nitrógeno por toda la envoltura estelar, desde donde finalmente escapa al medio interestelar.

Lo más revelador del estudio es que únicamente estrellas dentro de ese rango específico de masas reproducen simultáneamente las proporciones de nitrógeno, carbono, oxígeno y neón observadas en GS 3073. Estrellas por debajo de mil masas solares no generan suficiente nitrógeno, mientras que las superiores a diez mil producen demasiado oxígeno, desplazando las proporciones fuera de los valores medidos. Este estrecho margen convierte a GS 3073 en la primera evidencia concluyente dentro del registro fósil de abundancias químicas de la existencia de estrellas supermasivas primordiales en los albores cósmicos.

Agujero negro masivo

El destino final de estos monstruos estelares resulta igualmente extraordinario. Aunque atraviesan regímenes de inestabilidad nuclear donde estrellas más pequeñas explotarían como supernovas de inestabilidad de pares, su masa descomunal impide que la energía liberada detenga el colapso. El resultado inevitable es un agujero negro masivo.

No por casualidad, GS 3073 alberga un núcleo galáctico activo con un agujero negro de unos ciento sesenta millones de masas solares. Los cálculos demuestran que una semilla de apenas mil masas solares, acretando materia a tasas moderadas desde los primeros tiempos cósmicos, alcanzaría precisamente esa masa para la época en que observamos la galaxia, enfatizan los investigadores en su artículo.

¿Habría más?

Este hallazgo abre una ventana hacia una población estelar que los astrofísicos habían teorizado pero nunca confirmado. Si el modelo es correcto, deberían existir otras galaxias primitivas con excesos de nitrógeno aún mayores, correspondientes a etapas más tempranas de su evolución química, antes de que generaciones sucesivas de estrellas normales diluyeran la huella de aquellas primeras luminarias colosales.

Las futuras observaciones del James Webb y de los grandes telescopios terrestres de próxima generación podrían revelar más de estas firmas químicas, confirmando que el universo recién nacido engendró astros de una escala que hoy resulta inimaginable.