Una estrella aquí en la Vía Láctea es la estrella antigua más pura que los astrónomos han encontrado hasta la fecha.
Eso significa que está notablemente (aunque no del todo) libre de contaminación por los metales que sólo se formaron después de que las estrellas ya habían vivido y muerto: una reliquia fósil del Universo temprano, probablemente nacida del gas enriquecido por una de las primeras explosiones de supernova del Universo temprano.
SDSS J0715-7334, que alguna vez fue una estrella de baja masa similar al Sol, ha llegado al final de su vida útil de la secuencia principal y ahora es una gigante roja que se acerca al final de su vida, sobreviviendo el tiempo suficiente para enseñarnos sobre épocas pasadas.
“Estas estrellas prístinas son ventanas al amanecer de las estrellas y galaxias en el Universo”, dice el cosmólogo Alexander Ji de la Universidad de Chicago, quien dirigió la investigación.
Después de que el Universo surgió en el Big Bang, el espacio se llenó de una densa y caliente niebla de plasma formada por pequeños núcleos atómicos y electrones libres.
La poca luz que había no habría penetrado esta niebla; los fotones simplemente se habrían dispersado de los electrones que flotaban alrededor, oscureciendo efectivamente el Universo.
Sin embargo, unos 300.000 años después del Big Bang, el Universo se había enfriado lo suficiente como para permitir que los protones y los electrones se unieran para formar hidrógeno neutro y un poco de helio. Fue a partir de densos cúmulos de este prístino hidrógeno y helio que nacieron las primeras estrellas, conocidas como Población III.
Los elementos más pesados que el helio no entraron en una distribución amplia por todo el Universo hasta que estas estrellas murieron.
Las estrellas funcionan mediante fusión, el proceso mediante el cual los átomos se fusionan para formar elementos más pesados, primero hidrógeno en helio, luego helio en carbono, y así sucesivamente. Los elementos más pesados que el helio se denominan metales en astronomía.
La cadena termina en hierro, porque fusionarlo requiere más energía de la que emite el proceso, pero elementos aún más pesados se forjan en las energéticas explosiones de supernovas que marcan la muerte de estrellas masivas. Estas explosiones siembran elementos pesados en el espacio, donde pueden incorporarse al proceso de formación de nuevas estrellas.
Todas las estrellas jamás medidas han tenido algún grado de enriquecimiento de este metal, pero algunas más que otras. Los que tienen menos, conocidos como Población II, tienen una metalicidad tan baja que su composición sólo puede haber sido enriquecida por la Población III.
“Nunca se han observado estrellas de Población III, ya sea porque eran masivas, vivían rápido y morían jóvenes, o porque las estrellas de Población III de menor masa que podrían persistir hasta el día de hoy son extremadamente raras”, explica el astrónomo Kevin Schlaufman de la Universidad Johns Hopkins.
“De cualquier manera, las propiedades de esta primera generación estelar son algunas de las incógnitas más importantes de la astrofísica moderna”.
Por lo tanto, las estrellas de población II son muy buscadas por los astrónomos, quienes investigan sus propiedades químicas para aprender sobre las estrellas que las formaron.
Esto nos lleva de nuevo al SDSS J0715-7334, descubierto casi por accidente por Ji y sus estudiantes, que buscaban estrellas interesantes utilizando el Sloan Digital Sky Survey (SDSS) como parte de su plan de estudios.
En su primera noche en el telescopio, la segunda estrella que observaron los estudiantes fue SDSS J0715-7334. El plan era mirarlo durante 10 minutos. Terminaron mirándolo durante tres horas.
“Estuve mirando esa cámara toda la noche para asegurarme de que funcionaba”, dice la astrónoma Natalie Orrantia, una de las estudiantes involucradas.
Tras una inspección más cercana, se descubrió que la estrella tenía una composición casi completa de hidrógeno y helio. Su metalicidad es sólo el 0,005 por ciento de la del Sol, y casi la mitad que la del anterior poseedor del récord de baja metalicidad.
Había una simple pizca de hierro en su espectro: su metalicidad total 40 veces menor que la de la siguiente estrella más pobre en hierro conocida. Pero lo que realmente sorprendió a los investigadores fue su sorprendentemente bajo contenido de carbono.
“La estrella tiene tan poco carbono que sugiere que una temprana dispersión de polvo cósmico es responsable de su formación”, dijo Ji. “Esta vía de formación sólo se ha visto una vez antes”.
Por lo general, el gas necesita ciertos elementos como el carbono o el oxígeno para enfriarse lo suficiente como para formar estrellas. Se cree que la vía de formación de las estrellas de Población III se basó en moléculas de hidrógeno, que son menos eficientes, pero una vez que surgió el carbono, se convirtió en el actor dominante en el enfriamiento necesario para la formación de estrellas en todo el Universo.
La falta de carbono en el espectro de SDSS J0715-7334 no indica un enfriamiento por hidrógeno puro, como probablemente lo utilizaron las primeras estrellas del Universo.
En cambio, su química sugiere que se formó en un raro régimen intermedio, donde había muy poco carbono para la ruta de enfriamiento habitual, por lo que pequeñas cantidades de polvo cósmico, las cenizas sobrantes de las supernovas de Población III, probablemente ayudaron al colapso del gas.
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“Sin embargo, será necesario encontrar muchas más estrellas pobres en metales en diferentes entornos para probar esta hipótesis”, escriben Ji y su equipo en su artículo.
La posición de la estrella y su movimiento a través del cielo sugieren que no vino de la Vía Láctea, sino de la Gran Nube de Magallanes, una galaxia enana que orbita la Vía Láctea. Esto podría significar que la Gran Nube de Magallanes contiene más estrellas de este tipo en espera de ser descubiertas.
“Es posible que encontremos una proporción relativamente mayor de estrellas ultrapobres en metales en galaxias como las Nubes de Magallanes que en nuestra propia Vía Láctea”, dice Schlaufman.
“Todavía queda mucho por hacer para comprender lo que realmente estaba sucediendo en esa época hace mucho, mucho tiempo, cuando la Vía Láctea era joven. Sólo hemos arañado la superficie”.
El descubrimiento ha sido publicado en Nature Astronomy.