La extraña existencia de estrellas del pasado remoto con una masa colosal

Esta imagen es una sección transversal a través del interior de una estrella supermasiva de 55.500 masas solares a lo largo del eje de simetría. Muestra el núcleo interno de helio en el que la “combustión” nuclear está convirtiendo este elemento en oxígeno, alimentando varias inestabilidades de fluido (líneas en forma de remolino). Esta foto de una simulación muestra un instante del día después del principio de la explosión, cuando el radio del círculo exterior sería ligeramente más grande que el de la órbita de la Tierra alrededor del Sol. (Imagen: Ken Chen, Universidad de California en Santa Cruz)

Las primeras estrellas del universo, las que se formaron directamente a partir de la materia creada en el Big Bang (la “explosión” con la que nació el universo) pudieron tener características exóticas, hoy imposibles de alcanzar para cualquier estrella que se forme bajo las condiciones que imperan en el cosmos desde los últimos miles de millones de años. Las estrellas primigenias de menor masa puede que aún existan, pasando desapercibidas entre las muchas estrellas enanas rojas que pueblan el cosmos. Las estrellas de mayor masa inexorablemente tuvieron una vida muy corta, aunque más espectacular que la de cualquier estrella gigante de la actualidad o del pasado reciente.

¿Cuál es la masa más grande que puede tener una estrella? No está muy claro, pero en el universo actual no parece que sea factible para una estrella superar unos pocos cientos de veces la masa del Sol. Si se transforma en un agujero negro, entonces sí es plausible que su masa aumente de forma espectacular.

Sin embargo, en las exóticas condiciones reinantes no mucho tiempo después de la creación del universo, parece que existieron estrellas con masas decenas de miles de veces mayores que la del Sol. La física de estrellas con semejante masa, mayor que la de un buen número de agujeros negros, es difícil de deducir. Los efectos relativistas debieron ser importantes, y el final de su breve existencia pudo también ser insólito en ciertos casos. Una nueva investigación, basada en simulaciones digitales, revela varias posibilidades fascinantes al respecto.

Lo normal en una estrella muy masiva es terminar su vida como tal derrumbándose sobre sí misma, lo que genera una explosión de supernova pero también un agujero negro. Sin embargo, ciertas estrellas primigenias, aquellas con una masa muy concreta, de entre 55.000 y 56.000 veces la de nuestro Sol, pudieron morir de forma inusual. Durante su proceso de muerte, estos objetos, que estuvieron entre las estrellas de primera generación del universo, habrían explotado como supernovas y se habrían consumido por completo, sin dejar ningún residuo en forma de agujero negro.

Esta es la sorprendente conclusión a la que ha llegado un equipo internacional de astrofísicos, incluyendo expertos de la Universidad de California en Santa Cruz y la de Minnesota, ambas en Estados Unidos. Las simulaciones digitales fueron la clave para inferir el extraño destino de esas estrellas tan exóticas. Las simulaciones se realizaron en el NERSC (National Energy Research Scientific Computing), un centro adscrito al Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en Estados Unidos, así como en el Instituto de Supercomputación de la Universidad de Minnesota. Entre el software empleado, destaca el conocido como CASTRO, especializado en astrofísica y desarrollado en el NERSC por los científicos Ann Almgren y John Bell.

En las simulaciones, el equipo incluyó también efectos relativistas, que son importantes para estrellas por encima de 1.000 masas solares.

Las estrellas de primera generación son especialmente interesantes porque produjeron los primeros elementos pesados, o elementos químicos distintos al hidrógeno y el helio. Durante su muerte estelar, enviaron sus creaciones químicas hacia el espacio exterior, preparando el terreno para que se formasen las posteriores generaciones de estrellas, sistemas solares y galaxias, con mayor riqueza química que en la infancia del universo.

Lo más destacable de la investigación realizad por el equipo de Ke-Jung Chen, de la Universidad de California en Santa Cruz, es sin duda la citada “ventana “ estrecha y extraña en las condiciones físicas de una estrella, que permite que esta explote consumiéndose por completo, en vez de conservar un residuo compacto que se convierte en agujero negro. Nadie había encontrado nunca antes esta ventana o mecanismo. Sin los recursos computacionales del NERSC, los científicos habrían tardado mucho más tiempo en hacer este hallazgo. Los autores del estudio encontraron que las estrellas primigenias con una masa muy concreta, no inferior de unas 55.000 veces la del Sol, ni superior a las 56.000 masas solares, existen como estrellas solo durante 1.690.000 años aproximadamente, antes de volverse inestables debido a efectos relativistas y empezar entonces a derrumbarse sobre sí mismas. A medida que la estrella se contrae de manera catastrófica, empieza a sintetizar rápidamente elementos pesados como oxígeno, magnesio y silicio, a partir del helio en su núcleo. Este proceso libera más energía que la energía de cohesión de la estrella, deteniendo el hundimiento pero causando entonces una explosión masiva: una supernova.

Dependiendo de la intensidad de la supernova, algunas estrellas supermasivas podrían, cuando explotan, enriquecer a toda su galaxia anfitriona, e incluso algunas de las galaxias cercanas, con cantidades importantes de elementos químicos que van desde el carbono hasta el silicio. En algunos casos, las supernovas podrían incluso desencadenar la formación de muchísimas estrellas nuevas en un plazo bastante breve de tiempo, en su galaxia anfitriona, que la haría visualmente distinta de otras galaxias jóvenes.

Las estrellas supermasivas que explotan podrían ser un eslabón perdido en la secuencia de evolución post-estelar y en la formación de estructuras en el universo temprano. Las pruebas obtenidas de las observaciones revelan que los agujeros negros supermasivos (de millones a varios miles de millones de veces más masivos que nuestro Sol) residen en el centro de casi cada galaxia, incluyendo los antiguos cuásares ultrabrillantes que ya existían cuando el universo tenía sólo 1.000 millones de años.

Los astrofísicos luchan por explicar cómo tales agujeros negros supermasivos pudieron formarse tan pronto en el universo. Algunos modelos teóricos sugieren que podrían haberse originado a partir de estrellas supermasivas (estrellas de más de 10.000 masas solares) que se contrajeron catastróficamente dando lugar a agujeros negros. Tales agujeros negros supermasivos asimilan después más materia y pueden fusionarse entre ellos si también se fusionan sus respectivas galaxias anfitrionas. Todo ello facilita que estos agujeros negros alcancen las colosales masas detectadas. Todos los modelos anteriores de la evolución de las estrellas han sugerido que las estrellas primigenias por encima de las 300 masas solares se convertirían en agujeros negros en todos los casos.

Con los resultados del nuevo estudio, señalando que las estrellas supermasivas de poco más de 55.000 masas solares pueden también explotar como supernovas, pero de forma tan violenta que no queda ningún agujero negro, el destino final de las estrellas primigenias de masa colosal se revela más complejo y fascinante de lo creído.



Fuente


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