Para los astrónomos, astrofísicos y cosmólogos, la capacidad de detectar las primeras estrellas que se formaron en nuestro Universo siempre ha estado fuera del alcance. Por un lado, están los límites de nuestros telescopios y observatorios actuales, que solo pueden ver hasta cierto punto. El objeto más lejano jamás observado fue MACS 1149-JD, una galaxia ubicada a 13.200 millones de años luz de la Tierra que fue vista en el Campo Profundo Extremo del Hubble (XDF) imagen.
Por otro lado, hasta aproximadamente mil millones de años después del Big Bang, el Universo estaba experimentando lo que los cosmólogos denominan «Edad Oscura», cuando el Universo estaba lleno de nubes de gas que oscurecían la luz visible e infrarroja. Afortunadamente, un equipo de investigadores de Georgia Tech’s Centro de Astrofísica Relativista simulaciones realizadas recientemente que muestran cómo era la formación de las primeras estrellas.
los estudiar que describe sus hallazgos, publicado en el Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society, fue dirigido por Gen Chiaki y John Wise, un investigador postdoctoral y profesor asociado de CfRA (respectivamente). A ellos se sumaron investigadores de la Sapienza Università di Romala Observatorio Astronómico de Romala Instituto Nacional de Astrofísica (INAF), y el Instituto Nacional de Física Nuclear (INFN).
Basándose en los ciclos de vida y muerte de las estrellas, los astrofísicos teorizan que las primeras estrellas del Universo eran muy pobres en metales. Habiéndose formado unos 100 millones de años después del Big Bang, estas estrellas se formaron a partir de una sopa primordial de gas hidrógeno, helio y pequeñas cantidades de metales ligeros. Estos gases colapsarían para formar estrellas que serían hasta 1000 veces más masivas que nuestro Sol.
Debido a su tamaño, estas estrellas fueron de corta duración y probablemente solo existieron durante unos pocos millones de años. En ese tiempo, crearon elementos nuevos y más pesados en sus hornos nucleares, que luego se dispersaron una vez que las estrellas colapsaron y explotaron en supernovas. Como resultado, la próxima generación de estrellas tendría elementos más pesados que contendrían carbono, lo que llevaría a la designación de estrellas pobres en metales mejoradas con carbono (CEMP).
La composición de estas estrellas, que hoy pueden ser visibles para los astrónomos, es el resultado de la nucleosíntesis (fusión) de elementos más pesados de la primera generación de estrellas. Al estudiar el mecanismo detrás de la formación de estas estrellas pobres en metales, los científicos pueden inferir lo que estaba sucediendo durante la «Edad Oscura» cósmica cuando se formaron las primeras estrellas. Como dijo Wise en un Centro de computación avanzada de Texas (TACC) comunicado de prensa:
“No podemos ver las primeras generaciones de estrellas. Por lo tanto, es importante mirar realmente estos fósiles vivientes del universo primitivo, porque tienen las huellas dactilares de las primeras estrellas a través de los químicos que se produjeron en la supernova de las primeras estrellas”.
“Ahí es donde nuestras simulaciones entran en juego para ver que esto suceda. Después de ejecutar la simulación, puede ver una película corta para ver de dónde provienen los metales y cómo las primeras estrellas y sus supernovas afectan realmente a estos fósiles que viven hasta el día de hoy”.
Por el bien de sus simulaciones, el equipo se basó predominantemente en el Georgia Tech PACE grupo. La National Science Foundation’s (NSF) asignó tiempo adicional Entorno de descubrimiento de ciencia e ingeniería extremas (XSEDE), la estampida2 supercomputadora en TACC y financiada por NSF fronteras (la supercomputadora académica más rápida del mundo), y el Cometa clúster en el Centro de Supercomputación de San Diego (SDSC).
Con las enormes cantidades de potencia de procesamiento y almacenamiento de datos que proporcionaron estos cúmulos, el equipo pudo modelar la tenue supernova de las primeras estrellas del Universo. Lo que esto reveló fue que las estrellas pobres en metales que se formaron después de que las primeras estrellas en el Universo se mejoraron con carbono a través de la mezcla y el retroceso de los bits expulsados de las primeras supernovas.
Sus simulaciones también mostraron que las nubes de gas producidas por las primeras supernovas se estaban sembrando con granos de carbono, lo que llevó a la formación de estrellas de baja masa ‘pobres en gigametales’ que probablemente todavía existen hoy (y podrían ser estudiadas por estudios futuros). Dijo Chiaki de estas estrellas:
“Encontramos que estas estrellas tienen un contenido de hierro muy bajo en comparación con las estrellas mejoradas con carbono observadas con mil millonésimas partes de la abundancia solar de hierro. Sin embargo, podemos ver la fragmentación de las nubes de gas. Esto indica que las estrellas de baja masa se forman en un régimen de baja abundancia de hierro. Tales estrellas nunca han sido observadas todavía. Nuestro estudio nos da una idea teórica de la formación de las primeras estrellas”.
Estas investigaciones son parte de un campo en crecimiento conocido como «arqueología galáctica». Al igual que los arqueólogos se basan en restos y artefactos fosilizados para aprender más sobre las sociedades que desaparecieron hace siglos o milenios, los astrónomos buscan estrellas antiguas para estudiar y aprender más sobre aquellas que han muerto hace mucho tiempo.
Según Chiaki, el siguiente paso es expandirse más allá de las características del carbono de las estrellas antiguas e incorporar otros elementos más pesados en simulaciones más grandes. Al hacerlo, los arqueólogos galácticos esperan aprender más sobre los orígenes y la distribución de la vida en nuestro Universo. Chiaki dijo:
“El objetivo de este estudio es conocer el origen de elementos como el carbono, el oxígeno y el calcio. Estos elementos se concentran a través de los ciclos de materia repetitivos entre el medio interestelar y las estrellas. Nuestros cuerpos y nuestro planeta están hechos de carbono y oxígeno, nitrógeno y calcio. Nuestro estudio es muy importante para ayudar a comprender el origen de estos elementos de los que estamos hechos los seres humanos”.
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