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Las primeras supernovas expulsaron los elementos pesados en el Universo primitivo


Un equipo de astrónomos del MIT ha observado evidencia de que las primeras estrellas del Universo explotaron como supernovas asimétricas, lo suficientemente fuerte como para dispersar elementos pesados en todo el Universo primitivo.

Cosmología
Varios cientos de millones de años después del Big Bang, las primeras estrellas estallaron en el Universo primitivo como acumulaciones masivamente brillantes de hidrógeno y helio. Dentro de los núcleos de estas estrellas, las reacciones termonucleares forjaron los primeros elementos pesados, incluidos el carbono, el hierro y el zinc.

Estas primeras estrellas fueron probablemente inmensas, de corta duración, y los astrofísicos estiman que explotaron como Supernovas igualmente esféricas.

Pero ahora los astrónomos han descubierto que estas estrellas pueden haber estallado de una manera más poderosa y asimétrica, arrojando chorros relativistas que eran lo suficientemente poderosos como para expulsar elementos pesados a galaxias vecinas. Estos elementos finalmente sirvieron como semillas para la segunda generación de estrellas, algunas de las cuales aún se pueden observar hoy en día.

"Cuando una estrella explota, una parte de esa estrella es absorbida por un agujero negro como una aspiradora", dijo la Dra. Anna Frebel del MIT.

"Solo cuando tienes algún tipo de mecanismo, como un chorro que puede expulsar material, puedes observar ese mismo material más tarde en una estrella de la próxima generación".

Antecedentes
En 2005, la Dra. Frebel y sus colegas de investigación descubrieron que una estrella llamada HE 1327-2326 es una antigua estrella sobreviviente del Universo primitivo; pertenece a la segunda generación de estrellas del Universo.

En ese momento, era la estrella más pobre en metales jamás antes observada, lo que significa que tenía concentraciones extremadamente bajas de elementos más pesados ​​que el hidrógeno y el helio, una clara indicación de que se formó como parte de la segunda generación de estrellas, en un momento en que la mayor parte del contenido de elementos pesados del Universo aún no se había forjado.

"Las primeras estrellas fueron tan masivas que tuvieron que explotar casi inmediatamente", dijo la Dra. Frebel.

“Las estrellas más pequeñas que se formaron como parte de la segunda generación todavía existen hoy en día, y en su composición conservan el material inicial que dejaron las estrellas de la primera generación. Nuestra estrella solo tiene una pequeña cantidad de elementos más pesados ​​que el hidrógeno y el helio, por lo que sabemos a ciencia cierta que debe haberse formado como parte de la segunda generación de estrellas".

El estudio
En 2016, el equipo utilizó el espectrógrafo Cosmic Origins a bordo del telescopio espacial Hubble para observar esta misteriosa estrella.

Los astrónomos hicieron una lista de elementos pesados que podrían estar dentro de la composición de una estrella tan antigua, para luego buscar datos similares en los datos del Hubble, incluidos el silicio, el hierro, el fósforo y el zinc.

"Encontramos que, no importa cómo lo medimos, tenemos una gran cantidad de zinc", dijo la Dra. Rana Ezzeddine del MIT.

Los investigadores luego ejecutaron más de 10,000 simulaciones de explosiones de supernovas y estrellas secundarias que se forman como consecuencia de esas explosiones.

Descubrieron que, si bien la mayoría de las simulaciones de supernova esférica podían producir una estrella secundaria con las composiciones elementales que observaban en HE 1327-2326, ninguna de ellas reproducía el mismo rasgo distintivo de zinc.

Resultados
Resulta que la única simulación que podría explicar la composición de la estrella, incluida su gran abundancia de zinc, es la de una supernova asférica, con chorro relativista, generado por una estrella de la primera generación.

Dicha supernova habría sido extremadamente explosiva, con una potencia equivalente a casi un millón de veces la de una bomba de hidrógeno.

"Encontramos que esta primera supernova era mucho más enérgica de lo que la gente solía pensar antes, unas 5-10 veces más potente", dijo la Dra. Ezzeddine.

"De hecho, la idea previa de la existencia de una supernova débil para explicar las estrellas de segunda generación, pronto tendrá que darse de baja".

Conclusiones
Estos impactantes resultados pueden cambiar la comprensión de los científicos sobre la reionización, un período crucial durante el cual el gas en el Universo se transformó, pasando de algo completamente neutral a ionizado, un estado que hizo posible que las galaxias tomarán forma.

"La gente pensaba, según las primeras observaciones, que las primeras estrellas no eran tan brillantes o enérgicas, por lo que, cuando explotaban, no participaban mucho en la reionización del Universo", dijo la Dra. Frebel.

"En cierto sentido, estamos rectificando esta imagen y mostrando que, tal vez, las primeras estrellas tuvieron suficiente energía cuando explotaron, y tal vez ahora sean fuertes contendientes a la contribución de la reionización y a la causa de estragos en sus propias galaxias enanas".

Estas primeras supernovas también podrían haber sido lo suficientemente poderosas como para disparar elementos pesados a las "galaxias vírgenes" vecinas que aún no habían formado ninguna estrella propia. Gracias a los chorros relativistas generados por estas violentas explosiones de supernova, estas galaxias vírgenes habían sido impregnadas con los materiales necesarios para la formación de estrellas de la segunda generación.

Referencia del documento científico:
Rana Ezzeddine et al. 2019. Evidencia de una explosión de supernova de población asférica III inferida de la estrella hiper pobre en metales HE 1327–2326. The Astrophysical Journal, Volumen 876, número 2; doi: 10.3847 / 1538-4357 / ab14e7

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