Campos Magnéticos y el Nacimiento de las Primeras Estrellas

Portada: Impresión artística del universo temprano con estructuras. Fuente: ESA/Hubble, M. Kornmesser and NASA

Título Original: «Magnetic fields limit the mass of Population III stars even before the onset of protostellar radiation feedback«
Autores/as: Piyush Sharda, Shyam H. Menon, Roman Gerasimov, Volker Bromm, Blakesley Burkhart, Lionel Haemmerlé, Lisanne van Veenen, Benjamin D. Wibking
Fecha de publicación: 23 de enero de 2025
Estado del artículo: Preprint enviado a «Monthly Notices of the Royal Astronomical Society» (MNRAS)

Antes de que el universo estuviera salpicado de galaxias, estrellas y planetas, existió un período de oscuridad absoluta, llamada Edad Oscura. Tras el Big Bang, el cosmos se expandió y se enfrió, permitiendo la formación de los primeros átomos. Sin embargo, no fue hasta cientos de millones de años después que la gravedad comenzó a reunir nubes de gas primigenio, encendiendo las primeras estrellas de la historia cósmica. Estas primeras estrellas (conocidas como Estrellas de Población III), compuestas exclusivamente de hidrógeno y helio, fueron colosos ardientes que transformaron el universo con su luz y la producción de los primeros elementos pesados. Aunque nunca han sido observadas directamente, su impacto dejó una huella en la evolución del cosmos. En este astrobito, exploramos el nacimiento de estas estrellas y cómo las simulaciones más avanzadas están ayudando a desentrañar sus secretos.

El nacimiento de las primeras estrellas

Unos 380.000 años después del Big Bang, la radiación dejó de interactuar con la materia, permitiendo la formación del Fondo Cósmico de Microondas (CMB). En este período, conocido como la recombinación, los protones y electrones se unieron para formar átomos neutros de hidrógeno y helio. Esto marcó el inicio de una era oscura y fría en el universo, aún sin fuentes de luz.

Sin embargo, el universo no era completamente uniforme. Pequeñas variaciones en la densidad de materia, hoy observadas en el CMB, actuaron como semillas gravitacionales. Con el tiempo, estas regiones más densas atrajeron más gas, colapsando bajo su propia gravedad y formando las primeras nubes de hidrógeno y helio. Eventualmente, estas nubes dieron origen a las primeras estrellas.

Las estrellas de Población III eran muy diferentes a las actuales (Población I y II), ya que carecían de elementos más pesados que el helio, conocidos en astrofísica como «metales». Sin metales para enfriar el gas en colapso, estas estrellas crecieron hasta alcanzar tamaños colosales, en algunos casos superando las 100 masas solares.

La formación de las primeras estrellas fue, sin lugar a duda, un hito en la historia de nuestro cosmos. No solo fueron las primeras fuentes de luz en el universo (iniciando la reionización), sino que también produjeron los primeros elementos pesados mediante fusión nuclear. Al explotar como supernovas, dispersaron estos elementos en el medio interestelar, enriqueciendo futuras generaciones de estrellas y facilitando la formación de planetas.

¿Y cuál es nuestro modelo?

Para entender mejor la formación de estas estrellas, los investigadores recurrieron a simulaciones del proyecto POPSICLE. Este modelo incorpora factores clave como campos magnéticos, química primordial, turbulencia y retroalimentación radiativa. Se realizaron cuatro simulaciones diferentes: Para entender mejor la formación de estas estrellas, los investigadores recurrieron a simulaciones del proyecto POPSICLE. Este modelo incorpora factores clave como campos magnéticos, química primordial, turbulencia y retroalimentación radiativa. Se realizaron cuatro simulaciones diferentes (en orden de complejidad, y esperamos, realismo): hidrodinámica simple (HD, la cual modela las dinámicas del fluido bajo un campo gravitatorio), hidrodinámica con campos magnéticos (MHD, añade campos magnéticos a la mecánica de fluídos), hidrodinámica con retroalimentación radiactiva que incluye ionización y disociación del gas (RHD, la cual añade a la simulación HD la radiación emitida en los procesos de calentamiento/enfriamiento) y una combinación de campos magnéticos y retroalimentación radiactiva (RMHD, se incluye todo lo anterior).

Los efectos de los campos magnéticos en la formación estelar

El análisis mostró que los campos magnéticos reducen la tasa de crecimiento de las estrellas. En simulaciones sin campos magnéticos (HD y RHD), la estrella más masiva alcanzó entre 120 y 127 masas solares en los primeros 5000 años. En cambio, en simulaciones con campos magnéticos (MHD y RMHD), la estrella más masiva solo creció hasta aproximadamente 65 masas solares.

Esta diferencia ocurre porque los campos magnéticos contrarrestan la gravedad, ralentizando el colapso del gas y reduciendo el calentamiento por compresión. Esto limita la acumulación de masa en una única estrella y favorece la formación de múltiples estrellas en lugar de una sola masiva.

¡Ha nacido una estrella! ¿Qué será de su vida?

Para explorar su evolución a largo plazo, los autores emplearon el código de evolución estelar MESA. Modelaron distintos escenarios de acreción más allá de los 5000 años iniciales y concluyeron que la mayoría de estas estrellas terminarían sus vidas con masas entre 80 y 600 masas solares, con un valor promedio cercano a 80 masas solares.

Este hallazgo sugiere que las supernovas de inestabilidad de pares (PISNe), explosiones que ocurren en estrellas de entre 140-270 masas solares, podrían haber sido menos frecuentes de lo estimado previamente, ya que menos estrellas alcanzaron estas masas en presencia de campos magnéticos.

Este estudio abre nuevas vías para comprender la formación de las primeras estrellas y su impacto en la evolución del universo temprano. Si los campos magnéticos desempeñaron un papel clave en la formación estelar primordial, esto afectaría la distribución de masas de las estrellas de Población III y su influencia en la creación de agujeros negros supermasivos.

Con la llegada de telescopios de próxima generación como el James Webb Space Telescope (JWST) y el Nancy Grace Roman Space Telescope, podríamos obtener más información sobre la existencia y propiedades de estas primeras estrellas. ¡El futuro de la astrofísica promete grandes descubrimientos!