Las primeras estrellas nacieron donde se acumuló el gas
La aparición de estrellas y galaxias cambió el aspecto del universo y la materia que contenía. Las estrellas nacieron de un gas que, al principio, era casi todo hidrógeno y helio, y en su interior se crearon nuevos elementos. Parte de la materia que expulsaron se mezcló después con los ingredientes de otras estrellas y planetas. Las rocas de la Tierra y las sustancias de nuestro cuerpo conservan huellas de esta larga historia.
En el universo ya había luz antes de que nacieran las primeras estrellas. La luz que queda del universo temprano, cuando era muy caliente, se llama radiación de fondo de microondas. Todavía no había estrellas que emitieran luz. Las primeras estrellas se convirtieron en una nueva fuente de luz en el universo.
El gas no estaba distribuido por igual en todo el universo. En las regiones donde la materia era más densa, la gravedad atraía el gas cercano. A medida que el gas acumulado en el centro se calentaba, se daban las condiciones para formar estrellas. A diferencia de las nubes que forman estrellas hoy, la materia de las primeras estrellas casi no contenía elementos pesados ni polvo. Para investigar cuánta masa tenían y cómo nacieron, se comparan observaciones del universo lejano con cálculos basados en las leyes físicas.
Dentro de las galaxias, muchas estrellas nacieron en momentos distintos
Una galaxia del cielo nocturno es una estructura mucho mayor que una sola estrella. Contiene enormes cantidades de estrellas, gas y polvo unidos por la gravedad. La materia oscura también interviene en su estructura: no se ve directamente mediante la luz, pero su presencia se deduce de sus efectos gravitatorios. Las nubes donde nacen estrellas se encuentran en muchos lugares de las galaxias.
Las primeras galaxias fueron cambiando al incorporar gas de su entorno o fusionarse con otras galaxias. Mientras el gas recién llegado formaba nuevas estrellas, las que ya existían continuaban sus propias vidas. No todas nacieron a la vez ni pasaron por la misma etapa al mismo tiempo. Por eso, una misma galaxia puede albergar estrellas jóvenes y antiguas.
Los astrónomos estudian galaxias lejanas para investigar el pasado. La luz tarda en llegar hasta nosotros, de modo que la que ha viajado mucho tiempo muestra cómo era una galaxia hace mucho. Comparar galaxias a distintas distancias y analizar la luz de las estrellas y la composición del gas permite averiguar cómo han cambiado las galaxias.
La luz de las primeras galaxias cambió el estado del gas cercano
Las estrellas calientes emiten luz ultravioleta además de la luz que ven nuestros ojos. Cuando un átomo de hidrógeno absorbe luz con suficiente energía, un electrón que rodeaba su núcleo puede desprenderse. Esta separación de un electrón de un átomo se llama ionización.
En el universo temprano, los electrones estaban separados de los núcleos atómicos. Al enfriarse el universo, se unieron y formaron átomos. La luz de las estrellas y galaxias volvió a arrancar electrones de aquellos átomos. El período en que este cambio se extendió ampliamente alrededor de las galaxias se llama era de la reionización. También cambió la manera en que la luz atravesaba el gas.
Un estudio con el telescopio espacial James Webb investigó galaxias tal como eran cuando el universo tenía unos 900 millones de años. Los investigadores midieron cuánta luz de un objeto brillante aún más lejano atravesaba el gas intermedio y lo compararon con las posiciones de las galaxias observadas por Webb. El hallazgo de regiones alrededor de las galaxias donde la luz pasaba con mayor facilidad respalda la explicación de que la luz de aquellas galaxias ionizó el gas cercano.
La reionización no transforma el hidrógeno en otro elemento. El tipo de núcleo se mantiene y lo que se desprende es un electrón. Esto se distingue de las reacciones nucleares de la siguiente sección, en las que cambia el propio núcleo y se forman nuevos elementos.
Se crean nuevos elementos dentro de las estrellas y en sucesos violentos
El carbono y el oxígeno no fueron siempre tan abundantes como hoy. En el interior caliente de las estrellas, los núcleos atómicos se unen en un proceso llamado fusión nuclear. A medida que una estrella evoluciona, las reacciones de los núcleos de helio pueden producir carbono y oxígeno. Qué elementos crea y en qué cantidades depende de su masa, es decir, de la cantidad de materia que contiene, y de su etapa de evolución.
La fusión no es la única forma de crear elementos. Un núcleo puede incorporar partículas llamadas neutrones y después convertirse en otro elemento mediante reacciones que cambian partículas dentro del núcleo. Esta captura de neutrones también ocurre en estrellas envejecidas y contribuye a producir algunos elementos más pesados que el hierro.
Los elementos pesados también pueden formarse en la materia expulsada cuando dos estrellas de neutrones se fusionan. Una estrella de neutrones es un objeto pequeño y denso que puede quedar al final de la vida de una estrella masiva. Un estudio que volvió a analizar la luz de una fusión de estrellas de neutrones observada en 2017 identificó señales de un elemento llamado estroncio. Es una prueba observacional de que estas fusiones son uno de los lugares donde se crean elementos pesados.
La materia expulsada por las estrellas se mezcla con el gas cercano
Aunque un elemento se forme dentro de una estrella, esa materia no entra de inmediato en la siguiente. Primero debe salir de la estrella y mezclarse con el gas de alrededor. Cuando una estrella envejecida pierde sus capas exteriores o una explosión de supernova expulsa materia, los elementos que contiene también se dispersan. La muerte de las estrellas explica qué dejan atrás los distintos tipos de estrellas.
El telescopio espacial Hubble ha observado gas expulsado por estrellas similares al Sol que rodea a la estrella caliente del centro. Los astrónomos analizan la luz de estos objetos para investigar qué elementos contiene el gas expulsado. Las reacciones nucleares que crean elementos y los flujos de materia que los llevan al espacio son procesos distintos.
La materia expulsada incluye tanto sustancias que la estrella tenía desde el principio como otras que produjo después. Si parte de ella se mezcla con una nube de gas frío y vuelve a acumularse, puede convertirse en materia prima de otras estrellas y sistemas planetarios. Otra parte se dispersa lejos o queda en restos estelares, por lo que no es un ciclo cerrado en el que regrese todo el material.
Los materiales del sistema solar conservan huellas de estrellas anteriores
La nube que formó el sistema solar también contenía sustancias dejadas por estrellas anteriores al Sol. El Sol, los planetas y los cuerpos pequeños se formaron a partir de gas y polvo enriquecidos en elementos como el carbono y el oxígeno. Algunos ingredientes, como el hidrógeno, proceden del universo temprano, por lo que una sola supernova no pudo crear toda la materia de la Tierra o de nuestro cuerpo.
Algunos meteoritos conservan diminutos granos de polvo que se formaron alrededor de otras estrellas antes de que naciera el Sol. Los investigadores examinan los tipos y las proporciones de átomos de esos granos para averiguar de qué clase de estrellas pudo venir el material. Además de la luz de objetos lejanos, las muestras que podemos tener en la mano aportan pistas sobre la historia anterior al Sol.
La Vía Láctea actual también alberga estrellas jóvenes y antiguas, nubes donde nacen estrellas y restos estelares. En este artículo, la era de las estrellas y las galaxias se refiere a la historia del universo a lo largo de estos cambios. Su alcance es distinto de la etapa de secuencia principal, durante la cual una estrella brilla gracias a la fusión del hidrógeno. Para conocer con más detalle cómo nace una estrella en una nube, se puede continuar con El nacimiento de las estrellas.
Fuentes
- NASA Science — Elementos y radiación de fondo del universo temprano
- NASA Webb — Investigación sobre las primeras estrellas y galaxias
- NASA Science — Composición y cambios de las galaxias
- NASA Science — Entrada de gas y fusiones de galaxias
- NASA Webb — Observaciones de la reionización alrededor de galaxias tempranas
- NASA Webb — Evolución estelar y producción de carbono y oxígeno
- Liu y colaboradores — Captura de neutrones en estrellas envejecidas y polvo presolar
- ESO — Observaciones que identificaron estroncio en una fusión de estrellas de neutrones
- NASA Hubble — Gas expulsado por estrellas y reutilización de elementos