Confirmada la existencia de estrellas masivas en el Universo Primitivo con 260 masas solares

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Fósil estelar: huellas de supernovas de inestabilidad par de primeras estrellas muy masivas. Crédito: NAOC
Fósil estelar: huellas de supernovas de inestabilidad par de primeras estrellas muy masivas. Crédito: NAOC

Las estrellas más masivas y de vida más corta dominan la evolución química de la era pregaláctica. Basándose en simulaciones numéricas, hace tiempo que se especula con que la masa de esas estrellas de primera generación era de hasta varios cientos de masas solares.

Entre ellas, las primeras estrellas con masas comprendidas entre 140 y 260 masas solares se convirtieron en supernovas de inestabilidad de pares (PISNe). Las PISNe son muy diferentes de las supernovas ordinarias y habrían impreso una firma química única en la atmósfera de las estrellas de nueva generación.

En un nuevo estudio, los científicos identificaron una estrella químicamente peculiar (LAMOST J1010+2358) en el halo galáctico como prueba clara de la existencia de PISNe a partir de primeras estrellas muy masivas en el Universo primitivo. Utilizaron el sondeo del Telescopio Espectroscópico de Fibras Multiobjeto de Área Cielo Grande (LAMOST) y la observación espectral de alta resolución de seguimiento realizada por el Telescopio Subaru.

Se ha confirmado que esta estrella se formó en la nube de gas dominada por los rendimientos de un PISN de 260 masas solares.

El equipo del estudio utilizó el telescopio Subaru para realizar nuevas observaciones espectroscópicas de alta resolución de J1010+2358 y obtener abundancias de más de diez elementos. Las abundancias extraordinariamente bajas de sodio y cobalto de esta estrella son su característica más destacable. Su relación sodio-hierro es inferior a 1/100 de la del Sol. La abundancia de elementos con números de carga pares e impares, como sodio/magnesio y cobalto/níquel, varía enormemente en esta estrella.

Comparación de las abundancias observadas y los modelos. Las abundancias químicas de J1010+2358 comparadas con las predicciones de tres modelos teóricos de supernova. Las barras de error son incertidumbres de 1σ de las abundancias observadas. (Crédito: NAOC)
Comparación de las abundancias observadas y los modelos. Las abundancias químicas de J1010+2358 comparadas con las predicciones de tres modelos teóricos de supernova. Las barras de error son incertidumbres de 1σ de las abundancias observadas. (Crédito: NAOC)

La singular varianza par-impar de esta estrella y las carencias de sodio y elementos coinciden con la predicción del PISN primordial realizada por estrellas de primera generación con 260 masas solares.

El hallazgo de J1010+2358 aporta pruebas concretas de la inestabilidad hidrodinámica atribuida a la formación de pares electrón-positrón en la teoría del desarrollo de estrellas muy masivas. El núcleo de una estrella enorme experimenta un colapso parcial debido a la formación de pares electrón-positrón, lo que disminuye la presión térmica allí existente.

El profesor ZHAO Gang, uno de los autores correspondientes del estudio, declaró: "Proporciona una pista esencial para restringir la función de masa inicial en el Universo primitivo. Antes de este estudio, no se habían encontrado pruebas de supernovas de estrellas tan masivas en las estrellas pobres en metal."

Además, LAMOST J1010+2358 tiene una abundancia de hierro sustancialmente mayor ([Fe/H] = -2,42) que la mayoría de las estrellas pobres en metal del halo galáctico, lo que indica que las estrellas de segunda generación creadas en el gas dominado por PISN pueden ser más ricas en metal de lo previsto.

El profesor Avi Loeb, ex director del Departamento de Astronomía de la Universidad de Harvard, declaró: "Uno de los santos griales de la búsqueda de estrellas pobres en metal es encontrar pruebas de estas primeras supernovas de inestabilidad de pares".

El profesor Timothy Beers, catedrático de astrofísica de la Universidad de Notre Dame, comentó los resultados: "Este trabajo presenta lo que es, a mi entender, la primera asociación definitiva de una estrella del halo galáctico con un patrón de abundancia originado por una PISN".

Fuentes, créditos y referencias:

Zhao Gang et al, A metal-poor star with abundances from a pair instability supernova, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06028-1, https://www.nature.com/articles/s41586-023-06028-1

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