Los astrónomos dirigidos por Eduardo Bañados del Instituto Max Planck de Astronomía han descubierto una nube de gas que contiene información sobre una fase temprana de la formación de galaxias y estrellas. apenas 850 millones de años después del Big Bang. La nube se encontró por casualidad durante las observaciones de un cuásar distante, y tiene las propiedades que los astrónomos esperan de los precursores de las galaxias enanas modernas. Cuando se trata de abundancias relativas, la química de la nube es sorprendentemente moderna, mostrando que las primeras estrellas del universo deben haberse formado muy rápidamente después del Big Bang. Los resultados se han publicado en el Diario astrofísico .

Cuando los astrónomos miran objetos distantes, necesariamente miran hacia atrás en el tiempo. La nube de gas descubierta por Bañados et al. es tan distante que su luz ha tardado casi 13 mil millones de años en llegar hasta nosotros; en cambio, la luz que nos llega ahora nos dice cómo se veía la nube de gas hace casi 13 mil millones de años, no más de unos 850 millones de años después del Big Bang. Para los astrónomos, esta es una época sumamente interesante. Dentro de los primeros cientos de millones de años después del Big Bang, se formaron las primeras estrellas y galaxias, pero los detalles de esa compleja evolución aún se desconocen en gran medida.

Esta nube de gas muy distante fue un descubrimiento fortuito. Bañados, luego en la Carnegie Institution for Science, y sus colegas estaban haciendo un seguimiento de varios quásares de una encuesta de 15 de los cuásares más distantes conocidos (z³6.5), que había sido preparado por Chiara Mazzucchelli como parte de su Ph.D. investigación en el Instituto Max Planck de Astronomía. En primer lugar, los investigadores acaban de notar que el quásar P183 + 05 tenía un espectro bastante inusual. Pero cuando Bañados analizó un espectro más detallado, obtenido con los Telescopios de Magallanes en el Observatorio Las Campanas en Chile, reconoció que estaba sucediendo algo más:las extrañas características espectrales eran los rastros de una nube de gas que estaba muy cerca del cuásar distante, una de las nubes de gas más distantes que los astrónomos han podido identificar.

Iluminado por un cuásar distante

Los quásares son los núcleos activos extremadamente brillantes de galaxias distantes. La fuerza impulsora detrás de su luminosidad es el agujero negro supermasivo central de la galaxia. La materia que gira alrededor de ese agujero negro (antes de caer) se calienta a temperaturas que alcanzan cientos de miles de grados, emitiendo enormes cantidades de radiación. Esto permite a los astrónomos usar cuásares como fuentes de fondo para detectar hidrógeno y otros elementos químicos en absorción:si una nube de gas está directamente entre el observador y un cuásar distante, se absorberá parte de la luz del quásar.

Los astrónomos pueden detectar esta absorción estudiando el espectro del cuásar, es decir, la descomposición en forma de arco iris de la luz del cuásar en las diferentes regiones de longitud de onda. El patrón de absorción contiene información sobre la composición química de la nube de gas, temperatura, densidad e incluso sobre la distancia de la nube de nosotros (y del quásar). Detrás de esto está el hecho de que cada elemento químico tiene una "huella digital" de líneas espectrales, una región de longitudes de onda estrechas en la que los átomos de ese elemento pueden emitir o absorber luz particularmente bien. La presencia de una huella dactilar característica revela la presencia y abundancia de un elemento químico específico.

No es exactamente la nube que estaban buscando

Del espectro de la nube de gas, los investigadores pudieron saber inmediatamente la distancia de la nube, y que estaban mirando hacia atrás en los primeros mil millones de años de historia cósmica. También encontraron rastros de varios elementos químicos, incluido el carbono, oxígeno, planchar, y magnesio. Sin embargo, la cantidad de estos elementos era pequeña, aproximadamente 1/800 veces la abundancia en la atmósfera de nuestro sol. Los astrónomos llaman sumariamente a todos los elementos más pesados ​​que el helio "metales"; esta medida convierte a la nube de gas en uno de los sistemas más pobres en metales (y distantes) conocidos en el universo. Michael Rauch de la Carnegie Institution of Science, quien es coautor del nuevo estudio, dice:"Después de que nos convencimos de que estábamos viendo un gas tan prístino solo 850 millones de años después del Big Bang, comenzamos a preguntarnos si este sistema aún podría retener firmas químicas producidas por la primera generación de estrellas".

Encontrar a estos de primera generación, las llamadas estrellas de "población III" es uno de los objetivos más importantes en la reconstrucción de la historia del universo. En el universo posterior, Los elementos químicos más pesados ​​que el hidrógeno juegan un papel importante al permitir que las nubes de gas colapsen para formar estrellas. Pero esos elementos químicos, notablemente carbono, ellos mismos se producen en estrellas, y arrojados al espacio en explosiones de supernovas. Por las primeras estrellas esos facilitadores químicos simplemente no habrían estado allí, ya que directamente después de la fase del Big Bang, solo había átomos de hidrógeno y helio. Eso es lo que hace que las primeras estrellas sean fundamentalmente diferentes de todas las estrellas posteriores.

El análisis mostró que la composición química de la nube no era químicamente primitiva, pero en cambio, las abundancias relativas fueron sorprendentemente similares a las abundancias químicas observadas en las nubes de gas intergalácticas de hoy. Las proporciones de abundancia de elementos más pesados ​​estaban muy cerca de las proporciones del universo moderno. El hecho de que esta nube de gas en el universo temprano ya contenga metales con abundancias químicas relativas modernas plantea desafíos clave para la formación de la primera generación de estrellas.

Tantas estrellas tan poco tiempo

Este estudio implica que la formación de las primeras estrellas en este sistema debe haber comenzado mucho antes:los rendimientos químicos esperados de las primeras estrellas ya habían sido borrados por las explosiones de al menos una generación más de estrellas. Una restricción de tiempo particular proviene de las supernovas de tipo Ia, explosiones cósmicas que serían necesarias para producir metales con las abundancias relativas observadas. Estas supernovas suelen necesitar alrededor de mil millones de años para suceder, lo que impone una seria limitación a cualquier escenario de cómo se formaron las primeras estrellas.

Ahora que los astrónomos han encontrado esta nube muy temprana, están buscando sistemáticamente ejemplos adicionales. Eduardo Bañados dice:"Es emocionante que podamos medir la metalicidad y la abundancia química tan temprano en la historia del universo, pero si queremos identificar las firmas de las primeras estrellas, necesitamos sondear incluso antes en la historia cósmica. Soy optimista de que encontraremos nubes de gas aún más distantes, lo que podría ayudarnos a comprender cómo nacieron las primeras estrellas ".

Los resultados aquí descritos han sido publicados en Bañados et al., "Un sistema Lyα amortiguado pobre en metales con un corrimiento al rojo de 6.4, " en el Diario astrofísico .