¿Por qué fueron tan enormes las primeras estrellas?

Una de las grandes misiones de la astronomía es encontrar las primeras estrellas. Estas estrellas vivieron y murieron unos pocos cientos de millones de años después del Big Bang, pero para aquellas que se encuentran en partes muy distantes del universo, es posible que su luz recién nos llegue ahora, después de haber pasado 14 mil millones de años cruzando el espacio entre ellas. A esa distancia, es difícil detectar una galaxia, y mucho menos estrellas individuales; sin embargo, muchos astrónomos creen que nos estamos acercando, gracias al gran tamaño de algunos de estos gigantes. Entonces, ¿por qué el universo primitivo tenía estrellas mucho más grandes que cualquiera de las que existen hoy?

Antes de responder a eso, algunos antecedentes y explicación de los términos. Hoy en día existen algunas estrellas realmente inmensas si hablamos de tamaño, más que de masa. Es famoso que si el centro de Betelgeuse estuviera donde está el Sol, sus límites exteriores se extenderían casi hasta Júpiter, lo que haría que su radio fuera casi 1.000 veces mayor que el del Sol y su volumen cerca de mil millones de veces mayor. Esas cifras son aproximadas, la superficie en constante cambio de Betelgeuse, que se asemeja a una olla a punto de hervir, es tan difícil de medir que las estimaciones varían entre un 30 y un 40 por ciento, pero no hay duda de que es muy, muy grande.

Además, Betelgeuse es simplemente nuestra supergigante local, famosa porque está relativamente cerca. Hay estrellas sustancialmente más grandes, como VY Canis Majoris.

Sin embargo, si bien estas estrellas tienen volúmenes mucho mayores que el Sol, eso se debe a que se han hinchado a medida que se quedan sin hidrógeno cerca del final de sus vidas. La masa es una medida más importante de una estrella, y aquí el rango es menor. Las estrellas más masivas conocidas de nuestra galaxia contienen alrededor de 125 masas solares. También existen signos de interrogación sobre esas estimaciones, ya que, a menos que tengan una estrella compañera, sólo podemos medir la masa de forma bastante indirecta. Sin embargo, hoy en día se considera generalmente un límite entre 100 y 200 masas solares.

Muy pocas estrellas alcanzan esto; de hecho, la mayoría de las estrellas tienen masas considerablemente menores que la del Sol.

Entonces, ¿cómo es posible que estemos cazando “monstruos celestiales” que se cree que tienen entre 5.000 y 10.000 masas solares? Aunque no está confirmado, un descubrimiento reciente de helio iluminado en el universo primitivo tiene más sentido si está siendo iluminado por estrellas con masas 1.000 veces la del Sol, entre cinco y diez veces lo que es posible hoy en día.

Las primeras estrellas (conocidas como Población III) se formaron íntegramente a partir de hidrógeno y helio junto con un poco de litio, careciendo de todos los elementos más pesados ​​que existen hoy en día, que son productos de generaciones estelares anteriores. Estos elementos más pesados, que los astrónomos llaman metales, normalmente constituyen una proporción muy pequeña de la masa inicial de las estrellas, pero resulta que esas pequeñas impurezas son muy importantes.

Se cree que el Big Bang dejó nubes de gas que contenían aproximadamente 1.000 masas solares en puntos donde los halos de materia oscura alcanzaron su punto máximo. El hidrógeno atómico es un radiador de calor muy pobre. Cuando una nube de gas de hidrógeno puro colapsa, se calienta a medida que su energía potencial gravitacional se convierte en calor, y eventualmente alcanza las temperaturas y presiones donde comienza la fusión, creando una estrella. No todo el mundo está de acuerdo, pero la mayoría de los astrofísicos creen que mientras el gas sea un mal radiador de calor, toda la nube podría condensarse en una sola estrella, al menos a veces.

Cuando se producen parches de gas como ese en el universo moderno, como en regiones de formación estelar como la Nebulosa de Orión, el gas es principalmente hidrógeno, pero contiene una mezcla de metales, algunos de los cuales son mucho mejores para irradiar calor. Esa radiación adicional significa que las manchas de gas se fragmentan mucho antes de convertirse en estrellas, evitando que los productos crezcan demasiado.

Esto no significa que todas las estrellas de Población III fueran gigantes. Un artículo propone que el mínimo no estaba muy por encima de 0,8 masas solares, gracias a que el gas a veces se fragmenta en bolsas más pequeñas. Eso es mucho más grande que el tamaño mínimo actual, donde son comunes estrellas como Próxima Centauri, con 0,12 masas solares. Sin embargo, esto significa que la mayoría de las primeras estrellas estaban dentro del rango con el que estamos familiarizados.

Aun así, parece que el dicho “había gigantes en aquellos días”, aunque inexacto para la prehistoria de la humanidad, era cierto para las estrellas. Una pequeña proporción de las primeras estrellas eran realmente enormes. Dado que la luminosidad estelar aumenta, en el caso de las estrellas de la secuencia principal, en más del cubo de la masa, podríamos esperar que una estrella 1.000 veces más masiva que el Sol sea más de mil millones de veces más brillante. De hecho, esta relación se rompe en el caso de estrellas con más de 55 veces la masa del Sol.

En consecuencia, una estrella de 1.000 masas solares eclipsaría a nuestro Sol más de 3 millones de veces. Eso es todavía más que suficiente para que una pequeña minoría de las primeras estrellas tenga un impacto enorme en la formación de galaxias y tal vez sean visibles a miles de millones de años luz.