Columna de Astronomía | Las primeras estrellas del universo

El origen de la materia prima que sustenta la vida en nuestro planeta es tema obligado en astronomía. Preparando una reunión –cuyo objetivo es el futuro de la investigación astrofísica en Chile– me pregunté qué queremos conocer en 10 años respecto a nuestro origen que –por diversas razones técnicas, observacionales o teóricas– no podemos hoy. Surgió en mi mente el proceso de formación de elementos pesados en el universo primordial. La vida necesita de al menos dos requisitos para brotar, metales para formar planetas como la Tierra y un entorno benevolente en términos de radiación. Algo que aún no entendemos del todo.

Sabemos que la mayoría de los elementos pesados, más allá del helio, se crean en los corazones de estrellas moribundas y que luego son eyectados al medio interestelar a través de nebulosas planetarias, vientos estelares y explosiones de supernovas. De este material enriquecido nacen nuevas estrellas y nuevos elementos, siguiendo un proceso que se repite múltiples veces. Así, por ejemplo, la Tierra se formó de material reciclado por al menos cuatro o cinco generaciones de estrellas.

Pero, ¿cómo comenzó todo y cómo se gatilló la formación de nuevas estrellas? La primera generación de estrellas debió estar hecha solo de hidrógeno y helio (y quizás un poco de litio y berilio). Fueron creadas por la nucleosíntesis del Big Bang, y debieron haber sido muy masivas. Sin embargo, estas estrellas probablemente vivieron muy poco tiempo. Los modelos estelares muestran que mientras más masiva una estrella, menor es su tiempo de vida. Muere muy rápido y por sus características deja como herencia un medio enriquecido en metales.

Lo anterior ocurrió cuando el universo no tenía más de 200 millones de años (1,5% de su edad actual). Los átomos en el cosmos en esa época eran neutros y como consecuencia de explosiones de supernovas de estas estrellas primordiales algunos elementos pesados fueron repartidos en el medio. La gran radiación ultravioleta emitida en estas explosiones logró ionizar el medio interestelar y establecer así las condiciones óptimas para la formación de una nueva generación de estrellas.

El problema es que nunca se ha observado una de estas estrellas, las originales, y muy poco se sabe de ellas y de su impacto en el medio interestelar. La tecnología actual –es decir telescopios de 8 a 10 metros de diámetro y con la sensibilidad actual de sus instrumentos– no está suficientemente desarrollada para estudiar estas estrellas. Necesitamos telescopios de diámetros mayores (de 25 a 40 metros) o los llamados ELTs (Telescopios Extremadamente Grandes), con instrumentación capaz de detectar prácticamente fotón por fotón, y con una resolución espacial un orden de magnitud mayor que los actuales.

Incluso estos grandes telescopios no serán capaces de observar directamente esas primeras estrellas. Ni siquiera el futuro telescopio espacial, el James Web Space Telescope (JWST), que reemplazará al Hubble, podrá mirar directamente uno de estos ancestros estelares.

Sin embargo, sí se podría observar rayos gamma resultantes de esas grandes explosiones, como también las consecuencias directas de la evolución de estas estrellas primarias. Es decir, si tuviéramos telescopios ELTs e instrumentación apropiada podríamos detectar líneas metálicas (carbono, nitrógeno, oxígeno, etc.) en el espectro de regiones donde ocurrieron dichas explosiones. La detección de estas líneas es la piedra angular para enlazar el universo primario –donde sólo había hidrógeno, helio, un poco de litio y un poco de berilio– con la Tierra, el Sol, el Sistema Solar y, finalmente, la vida.