Así eran las primeras estrellas cuando estaban naciendo
En una simulación por ordenador se muestra una nube primigenia envuelta en un capullo gaseoso: una región de formación estelar temprana, apenas 100 millones de años después del big bang, que los telescopios no pueden ver. En lo más profundo de la estructura de la nube, las moléculas de hidrógeno enfrían el gas, permitiendo su colapso. Dentro de esta nube fría se formarán estrellas masivas.
Las primeras estrellas no se parecían en nada a las estrellas relativamente frías y longevas que pueblan mayoritariamente el universo actual. En aquella época, hace más de 13 500 millones de años, casi toda la materia visible del universo estaba compuesta de hidrógeno con algo de helio.
Sin elementos más pesados, las primeras estrellas, una vez encendidas por la fusión nuclear, agotaron sus reservas de hidrógeno y estallaron en supernovas. Estos monstruos llegaron a tener cientos de veces la masa del Sol y sólo vivieron unos pocos millones de años. A modo de comparación, nuestra estrella tiene unos 4600 millones de años y seguirá viviendo durante al menos ese tiempo.
Sin embargo, los astrónomos nunca han visto estas primeras estrellas. Cobraron vida al final de un período llamado la edad oscura cósmica, cuando el universo estaba impregnado de gas hidrógeno opaco. La luz de estas estrellas no es lo bastante brillante como para ser detectada individualmente, ni siquiera por los telescopios más potentes. Para asomarse al corazón de estos monstruos, los científicos recurren a simulaciones hechas por un superordenador, como esta reciente observación de una nube primigenia de formación estelar del universo primitivo.
"Lo mejor para nosotros es que conocemos la física y las ecuaciones de cómo se comporta la materia y cómo funciona la gravedad", afirma Tom Abel, astrofísico computacional del Instituto Kavli de Astrofísica de Partículas y Cosmología (KIPAC, por sus siglas en inglés) de Stanford (Estados Unidos), que realizó la simulación junto con el desarrollador de software Ralf Kaehler, también del KIPAC. "Te da un marco en el que pensar cómo una cosa pudo convertirse en la otra".
Este proceso de transformación, a medida que las estrellas fundían elementos más ligeros en metales más pesados, impulsó la evolución del universo. Todo lo que pesa más que el helio se considera un "metal" en astronomía, y estos nuevos elementos se generaron por primera vez cuando las primeras estrellas entraron en erupción en supernovas y esparcieron su contenido por el cosmos.
Aunque el James Webb no puede ver las primeras estrellas, el telescopio ha captado impresionantes vistas de la formación estelar más cercana a la Tierra. Una estrella en proceso de formación expulsa material en forma de reloj de arena. Desde la protoestrella, situada a unos 460 años-luz de distancia, se aprecian capas de gas y polvo en forma de burbuja. Las zonas naranjas están teñidas de polvo, mientras que las azules están menos oscurecidas.
En algún momento, los conjuntos de estrellas se arremolinaron para formar las primeras galaxias, incluidas las primeras estructuras de la Vía Láctea. Los metales se acumularon y se formaron nuevas generaciones de estrellas a partir de estos elementos más pesados, muchas de las cuales evolucionaron para ser más pequeñas, frías y duraderas. Alrededor de algunas de estas estrellas, el polvo sobrante (material formado durante las supernovas) se agrupó formando los primeros planetas.
El nacimiento de las primeras estrellas representa el comienzo de una secuencia que produjo todos los mundos y seres vivos del universo, y las simulaciones pueden utilizarse para estudiar los primeros pasos críticos que los telescopios aún no pueden ver.
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Capas de una nube cósmica
Los científicos pueden simular el universo con una capacidad cada vez mayor gracias a los avances tanto en física como en informática. Inspirado por el lanzamiento del telescopio espacial James Webb, que rápidamente empezó a descubrir galaxias más tempranas que nunca, Abel puede realizar durante meses nuevas simulaciones del universo primitivo con una resolución casi mil veces superior a la que era posible cuando empezó a trabajar en modelos informáticos cosmológicos hace más de 20 años.
Esto permite experimentar, dice Abel. "Si cambio esto un poco, ya sabes, ¿qué pasa entonces? Y así se puede construir una intuición de cómo funciona el universo y cómo encajan las piezas".
Para que las primeras estrellas se encendieran, el gas tuvo que acumularse en bolsas lo suficientemente densas como para obligar a los átomos de hidrógeno a fusionarse en helio, liberando calor y energía. Esto ocurrió debido a las fuerzas gravitatorias de una mano invisible: la materia oscura. Antes de que surgieran las primeras estrellas, esta materia invisible, que según los astrónomos representa alrededor del 85% de toda la materia del universo, se agrupó en estructuras denominadas halos de materia oscura.
Estos inmensos orbes (llamados así por la forma en que la materia oscura rodea la materia visible y crea anillos de negrura que envuelven la luz) forman el andamiaje del universo. En su interior, las turbias bolsas de gas fueron empujadas hacia el interior, encendiendo los fuegos que acabarían con la edad oscura cósmica.
Una de las ventajas de simular las primeras estrellas, según Abel, es que permite apreciar cómo la física fundamental del hidrógeno, el elemento más pequeño y ligero, dictó la formación de las estrellas gigantes que transformarían el universo.
Durante la Edad Oscura, la mayoría de estos átomos se encontraban en forma de hidrógeno neutro, es decir, átomos individuales que volaban libremente por el espacio. En los centros de los grandes halos de materia oscura, donde se acumulaba gran parte de este hidrógeno neutro, las temperaturas aumentaban y los átomos individuales a veces chocaban y se pegaban, formando moléculas de dos átomos de hidrógeno.
En este punto, las cosas empezaron a cambiar. Como muestra la simulación de Stanford, se forma una nube (de unos 1000 años-luz de diámetro) en la que se acumulan moléculas de hidrógeno. Las capas exteriores de esta nube comenzaron a enfriarse porque las moléculas de hidrógeno recién formadas liberan ocasionalmente fotones de luz, desprendiendo energía y calor. A medida que desciende la temperatura, el gas se ralentiza y el material que hay detrás se amontona, enviando ondas de choque a través de la nube.
Estrellas recién nacidas brotan de capullos de gas y polvo en esta imagen hecha por el James Webb del complejo de nubes Rho Ophiuchi, la región de formación estelar más cercana a la Tierra. La zona contiene unas 50 estrellas jóvenes, muchas de ellas con masas similares a la del Sol. Una estrella de mayor tamaño en la mitad inferior de la imagen hace estallar una caverna en las espesas nubes.
"Hay tanta estructura aquí", dice Abel de las diferentes capas de la simulación de una nube de formación estelar. "Es muy divertido".
A mayor profundidad de la nube, otras capas se calientan o enfrían, provocando colisiones más turbulentas. Los procesos de enfriamiento también reducen la presión del gas que empuja hacia el exterior, lo principal que lucha contra la gravedad. Inexorablemente, poco a poco, la nube se hunde cada vez más.
"Esencialmente, lo que ocurrirá es que se formará un objeto de una masa de unos 10 Júpiter, que se acrecentará muy rápidamente", afirma Abel.
Los científicos no saben con exactitud el tamaño que alcanzaron estas primeras estrellas a medida que se acumulaba el gas, pero pueden haber llegado a tener cientos de veces la masa del Sol.
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La sobrecarga del universo
La intensa energía liberada por las primeras estrellas no sólo dispersó los metales en las supernovas, sino que también irradió el cosmos con luz ultravioleta. Esta radiación despojó a los átomos neutros de hidrógeno de sus electrones e hizo el gas más transparente, un momento clave en la historia cósmica conocido como reionización.
Las estrellas no duran para siempre. Con un detalle sin precedentes, Webb observó la conocida Nebulosa del Anillo, una estrella al final de su vida. Formada por una estrella que se desprende de sus capas exteriores al quedarse sin combustible, se encuentra relativamente cerca de la Tierra, a unos 2500 años-luz de distancia.
Aunque es posible que nunca encontremos la primera estrella que brilló en el abismo, nuestra capacidad para simular el cosmos nos ofrece una imagen cada vez más clara de cómo debió de ser esta época clave. Estas simulaciones también podrían revelar partes del futuro del universo.
"Se puede estudiar lo primero que aún no hemos visto", afirma Abel, "y se puede estudiar lo último que la gente podría llegar a ver".
Este artículo se publicó originalmente en inglés en nationalgeographic.com.
