¿Cuándo se formaron las primeras estrellas y galaxias?

La conocida como Edad Oscura del universo acabó con el nacimiento de las primeras estrellas, gigantes de gas que explotaron rápidamente para llenar el universo de los bloques fundamentales que harían posible la Tierra y la vida que la habita. Pero ¿cuándo ocurrió esto? ¿Vinieron antes las galaxias o las estrellas?

A pesar de sus 13 800 millones de años de antigüedad, el universo sigue siendo un lugar lleno de actividad, donde constantemente se están formando nuevas estrellas y donde las galaxias siguen chocando, uniéndose e interactuando. Pero esto no siempre fue así. Hubo una época en los inicios del universo en la que aún no había estrellas ni galaxias. Esta época recibe el nombre de Edad Oscura del universo, precisamente por no haber en él estrellas que lo iluminaran. El nacimiento de estas primeras estrellas marcó el fin de esta Edad Oscura y el lento inicio de lo que acabaría siendo el universo tal y como lo conocemos hoy en día.

Resulta complicado estudiar la antigüedad del universo, especialmente cuando no se trata de propiedades a gran escala sino de objetos puntuales, porque resulta complicado observar la luz proveniente de los objetos que lo habitaban. Es por esto que aún nos queda mucho por conocer de las primeras estrellas y galaxias que se formaron, aunque sí sabemos algunas cosas.

Las primeras estrellas debieron formarse entre 100 y 200 millones de años después del Big Bang, cuando el universo pudo haberse enfriado lo suficiente como para que las incontables nubes de gas que lo formaban pudieran empezar su contracción. Sin embargo, las estrellas que se formaron durante esta época eran muy diferentes a las que observamos hoy en día. Por un lado porque eran estrellas de casi nula metalicidad. 

En astronomía cualquier elemento más pesado que el helio es considerado un metal y durante la nucleosíntesis que vino después del Big Bang (cuando el universo tenía la temperatura apropiada para formar núcleos atómicos y que estos no se desintegraran inmediatamente) se formaron principalmente hidrógeno y helio, con minúsculas trazas de litio y berilio. Por tanto estas estrellas fueron incapaces de formar planetas rocosos a su alrededor, como mucho podrían haber sido acompañadas por grandes y calientes júpiteres, pues ni siquiera había elementos como el carbono, nitrógeno u oxígeno que forman buena parte de la atmósfera de Urano o Neptuno y les dan su apariencia característica.

Por otro lado, si bien pudieron formarse algunas estrellas de baja masa que podrían haber sobrevivido hasta la actualidad, la mayoría de estrellas que se formaron eran auténticos gigantes, con masas cientos de veces la de nuestra estrella. Estas estrellas tan masivas agotaron su combustible a un ritmo vertiginoso, explotando apenas unos millones de años después de haberse creado, formando en el proceso los elementos más allá del helio, que permitirían a planetas como el nuestro formarse y, tras un viaje larguísimo, a la vida florecer. Estas estrellas tan masivas acaban sus días con una explosión de supernova que creemos entender bastante bien, pero que no hemos observado directamente. 

Recibe el nombre de supernova por inestabilidad de pares (Pair-instability supernova en inglés) y se produce cuando en el núcleo de una estrella se alcanzan tales temperaturas, que los fotones emitidos durante los procesos de fusión nuclear tienen tantísima energía como para desintegrarse espontáneamente en un par electrón-positrón. Al ocurrir esto en grandes cantidades, se reduce rápidamente la presión del interior de la estrella que se oponía a la gravedad y la estrella se derrumba sobre si misma e implosiona. Estas supernovas son tan energéticas que tras de ellas no queda ningún resto sólido de la estrella que las originó, ni una estrella de neutrones, ni un agujero negro ni nada, tan solo una nube que contiene todo el material expulsado.

Es por esto que resulta especialmente difícil observarlas, porque sería necesaria una observación directa (algo muy improbable dada la antigüedad de estos sucesos) u observar esa nube de gas que queda tras la explosión. Pues eso es precisamente lo que creen haber observado un equipo de investigación con el telescopio Gemini North, situado en Hawaii. Han observado que el material que rodea un quásar muy lejano contiene una gran cantidad de elementos que solo podrían explicarse con una supernova de este tipo.

Las galaxias se formaron después de estas primeras estrellas, alrededor de 500 millones de años después del Big Bang, aunque en la actualidad desconocemos si se formaron a partir de gigantescas nubes que fueron rompiéndose en trozos cada vez más pequeños, para dar lugar a cúmulos y estrellas o si nubes de tamaño medio se formaron primero y acabaron juntándose para formar estructuras mayores, como galaxias y cúmulos de galaxias. La segunda opción es la que parece más favorable dadas las observaciones recientes, pero telescopios como el James Webb probablemente aportaran información importante sobre este tema. según esta hipótesis, las nubes medianas irían concentrándose en cantidades cada vez mayores y el nacimiento de nuevas estrellas así como del agujero negro supermasivo del centro y la región que lo rodea detendrían la contracción con su radiación. Sin este proceso, no conseguimos entender por qué no acabó todo el material concentrado en una región central, de forma análoga a lo que ocurre en un sistema solar, donde más del 99 % de la masa se concentra en la estrella central.

Referencias:

Yuzuru Yoshii et al, Potential Signature of Population III Pair-instability Supernova Ejecta in the BLR Gas of the Most Distant Quasar at z = 7.54*. The Astrophysical Journal, 2022; 937 (2): 61 DOI: 10.3847/1538-4357/ac8163

José Luis Oltra de perfil

José Luis Oltra (Cuarentaydos)

Soy físico de formación y viajero de vocación. Divulgo ciencia allí donde me lo permiten, aunque principalmente en youtube y tiktok bajo el nombre de Cuarentaydos. Por aquí me verás hablando de la física del universo, desde las galaxias y estrellas más grandes hasta las partículas subatómicas que las componen.

Continúa leyendo