Se han observado agujeros negros supermasivos cuando el Universo era aún muy joven, demasiado pronto para que se hubieran formado según los modelos clásicos de acreción.
El telescopio espacial James Webb aporta ahora una pista sólida para resolver este enigma. Sus observaciones han revelado, en una galaxia lejana, una firma química excepcional. Esta señal indica la presencia pasada de estrellas de una masa y tamaño colosales, miles de veces más masivas que nuestro Sol, que habrían poblado las primeras edades del cosmos.
Hasta ahora solo teorizadas, esta observación podría confirmar la existencia de estas estrellas llamadas de "población III".
Ilustración de varias estrellas de población III.
Crédito: NASA/WMAP Science Team
Este descubrimiento se centra en la galaxia GS 3073. Al analizar su composición, los científicos han identificado un desequilibrio marcado entre las cantidades de nitrógeno y oxígeno. Este perfil químico particular no se corresponde con ningún tipo de estrella conocido hoy en día. El equipo de investigación, en el que participan la Universidad de Portsmouth y el Center for Astrophysics, ve aquí la prueba indirecta de que estos gigantes hoy desaparecidos sí existieron.
El nitrógeno juega aquí el papel de un verdadero trazador cósmico. Su abundancia inusualmente elevada en comparación con el oxígeno en GS 3073 forma una huella única. Solo estrellas primordiales de una masa prodigiosa pueden generar una proporción así.
Los modelos informáticos ayudan a entender cómo estos astros gigantes pudieron producir tanto nitrógeno. En su núcleo, las reacciones de fusión transforman el helio en carbono. Este carbono es luego transportado hacia capas externas donde, al reaccionar con el hidrógeno, genera nitrógeno a través de un ciclo carbono-nitrógeno-oxígeno (ver más abajo). Este proceso, unido a una convección interna muy activa, dispersa el nitrógeno en la estrella antes de que sea eyectado al espacio.
Representación del desarrollo de las estrellas primordiales supermasivas.
Crédito: Devesh Nandal
El final de la vida de estos colosos estelares es igualmente particular. En lugar de explotar en supernova, se colapsan directamente sobre sí mismos formando un agujero negro. Este fenómeno conduce a la formación de agujeros negros desde el origen de varios miles de masas solares. El agujero negro activo en el centro de GS 3073 podría ser el remanente de una de estas estrellas primordiales.
Este descubrimiento abre una nueva ventana a los primeros capítulos de la historia cósmica. Muestra que la población estelar inicial era probablemente muy diferente a la de hoy, incluyendo objetos con propiedades extremas. El telescopio James Webb debería permitir identificar otras galaxias que presenten un exceso similar de nitrógeno, consolidando esta visión de un Universo joven poblado por gigantes.
El ciclo carbono-nitrógeno-oxígeno (CNO) en las estrellas masivas
En las estrellas muy masivas, la producción de energía no se basa únicamente en la fusión directa del hidrógeno en helio. Otro mecanismo, llamado ciclo carbono-nitrógeno-oxígeno, toma el relevo y se vuelve dominante. Este ciclo utiliza el carbono, el nitrógeno y el oxígeno como catalizadores para transformar el hidrógeno en helio, liberando una inmensa cantidad de energía en el proceso.
El proceso comienza con carbono-12 presente en el núcleo de la estrella. Captura un núcleo de hidrógeno (un protón) para transformarse en nitrógeno-13, que es inestable. Tras una desintegración radiactiva, se convierte en carbono-13. Este último captura a su vez un protón para convertirse en nitrógeno-14, un isótopo estable.
El nitrógeno-14 puede luego capturar otro protón para convertirse en oxígeno-15, inestable. Al desintegrarse, vuelve al estado de nitrógeno-15. Finalmente, el nitrógeno-15 captura un cuarto protón, pero esta vez, en lugar de crear un elemento más pesado, se divide en helio-4 y carbono-12. El carbono-12 se regenera así, permitiendo que el ciclo recomience.
En las estrellas primordiales extremadamente masivas, este ciclo es particularmente eficaz y rápido debido a las enormes temperaturas y presiones. Conduce a una producción y a una mezcla importante de nitrógeno dentro del astro. Este nitrógeno es luego expulsado al medio interestelar, dejando esta firma química distintiva que se observa hoy en día.
Fuente: The Astrophysical Journal Letters