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Un equipo internacional liderado por el investigador ICREA Mark Gieles, del Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universidad de Barcelona (ICCUB) y del Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña (IEEC), ha desarrollado un modelo innovador que revela cómo las estrellas extremadamente masivas (EMS) —con más de 1.000 veces la masa del Sol— han gobernado el nacimiento y la evolución primitiva de los cúmulos estelares más antiguos del universo.
El estudio, publicado en la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, revela cómo estos gigantes estelares de corta vida influyeron profundamente en la química de los cúmulos globulares (GC), que son algunos de los sistemas estelares más antiguos y enigmáticos del cosmos.
Cúmulos globulares: los archivos antiguos del universo
Los cúmulos globulares son grupos densos de forma esférica de cientos de miles o millones de estrellas que se encuentran en casi todas las galaxias, incluida la Vía Láctea. La mayoría tienen más de 10.000 millones de años, lo que indica que se formaron poco después del big-bang.
A la izquierda, representación artística del nacimiento de un cúmulo globular, con estrellas extremadamente masivas y potentes vientos estelares que enriquecen el cúmulo con contaminantes extremadamente calientes. A la derecha, un cúmulo globular antiguo tal como se observa actualmente: estrellas supervivientes con poca masa conservan trazas de los vientos de las estrellas extremadamente masivas, que desde entonces han colapsado en agujeros negros de masa intermedia
Sus estrellas muestran firmas químicas desconcertantes, como abundancias inusuales de elementos como helio, nitrógeno, oxígeno, sodio, magnesio y aluminio, que han desafiado toda explicación durante décadas. Estas "poblaciones múltiples" apuntan a procesos de enriquecimiento complejos durante la formación de cúmulos a partir de "contaminantes" extremadamente calientes.
Un nuevo modelo de formación de cúmulos
El nuevo estudio se basa en un modelo de formación de estrellas conocido como inertial-inflow model, ampliándolo a los entornos extremos del universo primigenio. Los investigadores muestran que, en los cúmulos más masivos, el gas turbulento da lugar naturalmente a estrellas extremadamente masivas (EMS) que pesan entre 1.000 y 10.000 masas solares. Estas EMS liberan potentes vientos estelares ricos en productos de la combustión de hidrógeno a altas temperaturas, que después se mezclan con el gas prístino circundante y forman las estrellas químicamente distintas.
"Nuestro modelo muestra que solo unas pocas estrellas extremadamente masivas pueden dejar una impronta química duradera en todo un cúmulo", afirma Mark Gieles (ICREA-ICCUB-IEEC). "Finalmente vincula la física de formación de los cúmulos globulares con las firmas químicas que observamos hoy en día".
Las investigadoras Laura Ramírez Galeano y Corinne Charbonnel, de la Universidad de Ginebra, destacan que "ya se sabía que las reacciones nucleares en los centros de estrellas extremadamente masivas podían crear los patrones de abundancia adecuados. Ahora tenemos un modelo que proporciona un camino natural para formar estas estrellas en cúmulos estelares masivos".
Este proceso se desarrolla rápidamente —en un plazo de 1 a 2 millones de años— antes de que explote cualquier supernova, garantizando que el gas del cúmulo permanezca libre de contaminación por supernovas.
Una nueva ventana al universo primitivo y a los agujeros negros
Las implicaciones del descubrimiento van mucho más allá de la Vía Láctea. Los autores proponen que las galaxias ricas en nitrógeno descubiertas por el telescopio espacial James Webb (JWST) están dominadas probablemente por cúmulos globulares ricos en estrellas extremadamente masivas (EMS), formados durante las primeras etapas de formación galáctica.
"Las estrellas extremadamente masivas podrían haber tenido un papel clave en la formación de las primeras galaxias", añade Paolo Padoan (Dartmouth College e ICCUB-IEEC). "Su luminosidad y producción química explican de forma natural las protogalaxias enriquecidas en nitrógeno que ahora observamos en el universo primitivo con el JWST".
Es probable que estas estrellas colosales terminaran su vida colapsando en agujeros negros de masa intermedia (más de 100 masas solares), que podrían ser detectados mediante señales de ondas gravitacionales.
La investigación proporciona un marco unificador que conecta la física de formación estelar, la evolución de los cúmulos y el enriquecimiento químico. Así, sugiere que las EMS fueron motores clave de la formación galáctica primitiva, enriquecieron simultáneamente los cúmulos globulares y dieron lugar a los primeros agujeros negros.
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