Durante mucho tiempo, nuestra comprensión de las primeras galaxias del universo se basó en gran medida en la teoría. La luz de esa época sólo llegó hasta nosotros después de viajar durante miles de millones de años y, en el camino, se oscureció y se extendió hacia el infrarrojo. En esa luz confusa se esconden pistas sobre las primeras galaxias. Ahora que tenemos el Telescopio Espacial James Webb y sus potentes capacidades infrarrojas, hemos visto el pasado más lejos (y con más claridad) que nunca.

El JWST ha fotografiado algunas de las primeras galaxias, lo que ha dado lugar a una avalancha de nuevos conocimientos y preguntas desafiantes. Pero no puede ver estrellas individuales.

¿Cómo pueden los astrónomos detectar su impacto en las primeras galaxias del universo?

Las estrellas son objetos poderosos y dinámicos que ejercen una fuerza potente. Pueden fusionar átomos para formar elementos completamente nuevos, un acto llamado nucleosíntesis. Las supernovas son especialmente efectivas en esto, ya que sus poderosas explosiones desatan una vorágine de energía y materia y la propagan nuevamente por el universo.

Las supernovas han existido desde los primeros días del universo. Las primeras estrellas del universo se llaman estrellas de Población III y eran estrellas extremadamente masivas. Las estrellas masivas son las que explotan como supernovas, por lo que debe haber habido un número excesivamente alto de supernovas entre las estrellas de Población III.

Una nueva investigación examina cómo todas estas supernovas deben haber afectado a sus galaxias anfitrionas. El artículo "Cómo las supernovas de la población III determinaron las propiedades de las primeras galaxias" ha sido aceptado para su publicación por The Astrophysical Journal y se publica en arXiv . El autor principal es Ke-Jung Chen del Instituto de Astronomía y Astrofísica de la Academia Sínica de Taiwán.

La metalicidad estelar está en el centro de este trabajo. Cuando comenzó el universo, estaba compuesto de hidrógeno primordial, helio y sólo trazas de litio y berilio. Si consulta su tabla periódica, estos son los primeros cuatro elementos. Los elementos más pesados ​​que el hidrógeno y el helio se denominan "metales" en astronomía, y la metalicidad en el universo aumenta con el tiempo debido a la nucleosíntesis estelar.

Pero el hidrógeno dominaba el universo entonces como lo hace ahora. Sólo cuando se formaron las primeras estrellas y luego explotaron, otros elementos empezaron a desempeñar un papel.

"El nacimiento de estrellas primordiales (Pop III) en z ~ 20 ~ 25 marcó el final de la era oscura cósmica y el inicio de la formación de la primera galaxia y el agujero negro supermasivo (SMBH)", escriben los autores del nuevo artículo. Pero su papel como creadores de metales astronómicos está en el centro de esta investigación.

Los investigadores utilizaron simulaciones hidrodinámicas por computadora para examinar cómo las estrellas Pop III dieron forma a las galaxias primitivas. Observaron supernovas de colapso del núcleo (CCSNe), supernovas de inestabilidad de pares (PISNe) e hipernovas (HNe).

Las estrellas sólo pueden formarse a partir de gas frío y denso. Cuando el gas está demasiado caliente, simplemente no es lo suficientemente denso como para colapsar en núcleos protoestelares. Los investigadores descubrieron que cuando las estrellas Pop III explotaron como supernovas, produjeron metales y los esparcieron por el gas circundante. Los metales enfriaron rápidamente el gas de formación de estrellas, lo que provocó una formación más rápida de más estrellas. "Nuestros hallazgos indican que las SNR de una FMI (función de masa inicial) Pop III muy pesada producen más metales, lo que lleva a un enfriamiento más eficiente del gas y a una formación más temprana de estrellas Pop II en las primeras galaxias".

Las simulaciones mostraron que los restos de supernova (SNR) del Pop III SN caen hacia el centro de los halos de materia oscura en los que residen. "Estos Pop III SNR y el gas primordial son arrastrados por la gravedad del halo hacia su centro", afirman los autores. explicar. Estas SNR a veces chocan y producen flujos turbulentos. La turbulencia mezcla el gas y los metales del SN y "crea estructuras filamentosas que pronto se forman en grupos densos debido a la autogravedad y al enfriamiento del metal del gas".

Esto conduce a una mayor formación de estrellas, aunque en este punto siguen siendo estrellas Pop III. Éstas no están enriquecidas por las supernovas anteriores del Pop III y todavía están formadas por gas primordial. Algunas de estas estrellas posteriores del Pop III se forman antes de que las iniciales lleguen al centro del halo. Eso crea una situación complicada.

La segunda ronda de estrellas Pop III "impone una fuerte retroalimentación radiativa y SN antes de que las SNR iniciales del Pop III lleguen al centro del halo", escriben los autores.

Las estrellas Pop III calientan el gas circundante con su potente radiación ultravioleta, como se muestra en la figura anterior, inhibiendo la formación estelar. Pero son estrellas masivas y no viven mucho tiempo. Una vez que explotan, esparcen metales a su alrededor, lo que puede enfriar el gas y provocar más formación de estrellas. "Después de su corta vida útil de aproximadamente 2,0 millones de años, la estrella muere como PI SN, y su choque calienta el gas a altas temperaturas (> 105 K) y expulsa una gran masa de metales que mejoran el enfriamiento y promueven una transición a Pop II SF. ", explican los autores.

Aquí es donde las estrellas Pop III dieron forma a las primeras galaxias. Al inyectar metales en las nubes de gas de formación estelar, enfriaron el gas. El enfriamiento fragmentó las nubes de gas de formación estelar, haciendo que la siguiente generación de estrellas Pop II fuera menos masiva. "Debido al efectivo enfriamiento del metal, la escala de masa de estas estrellas Pop II se desplazó a un extremo de baja masa y se formó en un cúmulo, como se muestra en el panel derecho de la Figura 6."

Las estrellas Pop III existían principalmente en halos de materia oscura. Sin embargo, la investigación muestra cómo dieron forma a las sucesivas estrellas Pop II, que poblaron las primeras galaxias. Una pregunta que han enfrentado los astrónomos con respecto a las primeras galaxias es si estaban llenas de estrellas Pop II extremadamente pobres en metales (EMP). Pero esta investigación muestra lo contrario. "De esta manera descubrimos que las estrellas EMP no eran típicas de la mayoría de las galaxias primitivas", concluyen los autores.

Más información: Ke-Jung Chen et al, Cómo las supernovas de la población III determinaron las propiedades de las primeras galaxias, arXiv (2022). DOI:10.48550/arxiv.2211.06016

Proporcionado por Universe Today