Hierro y magnesio junto a un cuásar: una posible huella de una supernova primordial

Una explosión estelar ocurrida en el universo temprano podría haber dejado una huella química alrededor de un cuásar distante. La pista no es una imagen de la estrella ni de su explosión, sino una proporción entre dos elementos medida en la luz del gas que rodea al cuásar ULAS J1342+0928. En una publicación divulgativa fechada el 28 de septiembre de 2022, el NOIRLab explicó por qué esa composición llevó a plantear una posible supernova de inestabilidad de pares, un tipo de explosión relacionado con estrellas muy masivas de la primera generación cósmica.

La interpretación conecta una observación espectral con modelos sobre cómo mueren las estrellas y producen elementos. Pero el propio relato de NOIRLab la presenta como una posibilidad que necesita más observaciones para ser verificada.

Un cuásar del universo temprano

Un cuásar es un objeto muy distante cuyo entorno puede estudiarse a partir de la luz que recibimos. El objeto analizado, ULAS J1342+0928, figura entre los cuásares conocidos más antiguos y distantes. Según NOIRLab, la luz que observamos fue emitida hace unos 13.100 millones de años, cuando habían transcurrido menos de 690 millones de años desde el Big Bang.

En ese contexto, buscar señales de las primeras estrellas es una forma de investigar cómo aparecieron los elementos químicos. Los astrónomos llaman estrellas de Población III a los astros de esa primera generación. La fuente explica que el nombre distingue poblaciones estelares ordenadas hacia atrás en el tiempo: la Población III corresponde a las estrellas más antiguas.

El análisis se basó en un espectro obtenido con el telescopio Gemini North, en Hawái, mediante su espectrógrafo infrarrojo GNIRS. Un espectro separa la luz en las longitudes de onda que la componen. Algunas características en esas longitudes permiten reconocer qué elementos están presentes en el material observado. Estimar cuánto hay de cada elemento es más complejo: el brillo de una señal también depende de otros factores, no solo de la abundancia del elemento que la produce.

La pista química: hierro y magnesio

Para interpretar las señales, el equipo aplicó un método que Yuzuru Yoshii y Hiroaki Sameshima habían desarrollado en 2017 para convertir el brillo de características espectrales en estimaciones de abundancias. Al usarlo con el espectro del cuásar, encontraron una proporción de hierro respecto al magnesio aproximadamente diez veces mayor que la proporción solar. Expresado de otra manera, la cantidad relativa de magnesio frente al hierro era inusualmente baja.

La comparación importa porque, según la explicación difundida por NOIRLab, los modelos teóricos de una supernova de inestabilidad de pares predicen una proporción baja de magnesio respecto al hierro. Por eso la composición del gas alrededor del cuásar resultó sugerente: podía guardar material enriquecido por una explosión de ese tipo.

La propuesta no se basó únicamente en la proporción química. El cuásar se formó muy temprano en la historia del universo, cuando habría habido menos tiempo para que el material de distintas explosiones se mezclara. La combinación de esa antigüedad y de la señal química llevó a plantear que el gas circundante podría contener restos de una explosión de una estrella de Población III.

Qué significa una supernova de inestabilidad de pares

Según NOIRLab, se considera que este tipo de supernova podría ser el final natural de estrellas con masas de entre 150 y 300 veces la del Sol. El mecanismo descrito comienza en el núcleo estelar: los fotones se convierten en pares de electrones y positrones, es decir, partículas de materia y antimateria. Esa transformación reduce la energía que sostiene a la estrella frente a su propia gravedad. La gravedad puede entonces imponerse, provocar el colapso y desencadenar la explosión.

El equipo comparó la señal del cuásar con modelos de estas explosiones. Yoshii señaló que una supernova de una estrella de unas 300 masas solares producía una proporción de magnesio y hierro acorde con el valor bajo derivado para el cuásar. Esa coincidencia respaldaba la interpretación, pero no identificaba por sí sola una explosión observada directamente: la evidencia descrita es la composición del material que rodea al cuásar.

La hipótesis también enlaza con una cuestión más amplia: cómo se formaron los elementos que hoy se encuentran en las estrellas y en otros objetos cósmicos. Si una explosión de una estrella primitiva enriqueció el gas cercano, su composición podría conservar información sobre una etapa muy temprana de la evolución estelar. En este caso, esa posibilidad se infiere a partir de las abundancias y del contexto antiguo del cuásar.

Una interpretación que aún requiere pruebas

Yoshii y sus colaboradores consideraron otras explicaciones y concluyeron que una explosión de inestabilidad de pares de una estrella de Población III era la interpretación más probable. Sin embargo, el texto de NOIRLab no presenta esa lectura como una confirmación definitiva: los autores indicaron que hacen falta muchas más observaciones similares para verificar el resultado con certeza.

La cautela es importante también por cómo se obtiene la pista. Las abundancias se estiman a partir del brillo de características del espectro, y ese brillo depende de más factores que la cantidad de cada elemento. Así, la cadena de razonamiento va desde una señal en la luz hasta una proporción química y, después, a una comparación con modelos de explosiones estelares. Cada paso sostiene una interpretación, no una observación directa de la estrella que habría explotado.

El resultado destacado por NOIRLab es, por tanto, una posible huella química de una supernova primordial en el entorno de ULAS J1342+0928. Su interés está en que ofrece una vía para buscar los restos de estrellas de primera generación en objetos muy antiguos. La confirmación, según los propios investigadores citados por la fuente, depende de obtener más observaciones comparables.

Fuente de la información: NOIRLab, “A glimpse of the first stars that lit up the Universe?”, 28 de septiembre de 2022.