Estrelles extremament massives van forjar els cúmuls estel·lars més antics de l’univers

Un equip internacional liderat per l’investigador ICREA Mark Gieles, de l’Institut de Ciències del Cosmos de la Universitat de Barcelona (ICCUB) i l’Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC), ha desenvolupat un model innovador que revela com les estrelles extremament massives (EMS) —amb més de mil vegades la massa del Sol— han governat el naixement i l’evolució primerenca dels cúmuls estel·lars més antics de l’univers.

L’estudi, publicat a la revista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, revela com aquests gegants estel·lars de vida curta van influir profundament en la química dels cúmuls globulars, que són alguns dels sistemes estel·lars més antics i enigmàtics del cosmos.

Els cúmuls globulars són grups densos de forma esfèrica de centenars de milers o milions d’estrelles que es troben en gairebé totes les galàxies, inclosa la Via Làctia. La majoria tenen més de deu mil milions d’anys, cosa que indica que es van formar poc després del big-bang.

Les seves estrelles mostren signatures químiques desconcertants, com ara abundàncies inusuals d’elements com heli, nitrogen, oxigen, sodi, magnesi o alumini, que durant dècades han desafiat qualsevol explicació. Aquestes «poblacions múltiples» apunten a processos d’enriquiment complexos durant la formació de cúmuls a partir de contaminants extremament calents.

El nou estudi es basa en un model de formació d’estrelles conegut com inertial-inflow model i l’amplia als entorns extrems de l’univers primerenc. Els investigadors mostren que, en els cúmuls més massius, el gas turbulent dona lloc de manera natural a estrelles extremament massives (EMS) que pesen entre mil i deu mil masses solars. Aquestes EMS alliberen potents vents estel·lars rics en productes de la combustió d’hidrogen a altes temperatures, que després es barregen amb el gas pristí circumdant i formen estrelles químicament diferents.

«El nostre model mostra que només unes poques estrelles extremament massives poden deixar una empremta química duradora en tot un cúmul», afirma Mark Gieles (ICREA-ICCUB-IEEC). «Finalment, el model vincula la física de formació dels cúmuls globulars amb les signatures químiques que observem avui dia».

Les investigadores Laura Ramírez Galeano i Corinne Charbonnel, de la Universitat de Ginebra, destaquen que «ja se sabia que les reaccions nuclears als centres d’estrelles extremament massives podien crear els patrons d’abundància adequats; ara tenim un model que proporciona un camí natural per formar aquestes estrelles en cúmuls estel·lars massius».

Aquest procés es desenvolupa ràpidament —en un termini d’un a dos milions d’anys— abans que exploti qualsevol supernova, la qual cosa garanteix que el gas del cúmul roman lliure de contaminació per supernoves.

Les implicacions de la descoberta van molt més enllà de la Via Làctia. Els autors proposen que les galàxies riques en nitrogen descobertes amb el telescopi espacial James Webb (JWST) estan dominades, probablement, per cúmuls globulars rics en estrelles extremament massives (EMS) formats durant les primeres etapes de formació galàctica.

«Les estrelles extremament massives podrien haver tingut un paper clau en la formació de les primeres galàxies», afegeix Paolo Padoan (Dartmouth College i ICCUB-IEEC). «La seva lluminositat i producció química expliquen de manera natural les protogalàxies enriquides en nitrogen que ara observem a l’univers primitiu amb el JWST».

És probable que aquestes estrelles colossals acabessin la seva vida col·lapsant en forats negres de massa intermèdia (més de cent masses solars), els quals es podrien detectar mitjançant senyals d’ones gravitacionals.

La recerca proporciona un marc unificador que connecta la física de formació estel·lar, l’evolució dels cúmuls i l’enriquiment químic. Així, suggereix que les EMS van ser motors clau de la formació galàctica primitiva enriquint simultàniament els cúmuls globulars i formant els primers forats negres.