Historia del agua en el Universo temprano

Crédito: informador.mx.

Artículo en el que se basa este astrobito: Abundant water from primordial supernovae at cosmic dawn

Autoría: D. J. Whalen, M. A. Latif & C. Jessop 

Institución del primer autor: Institute of Cosmology and Gravitation, Portsmouth University, Portsmouth, UK

Estado de la publicación: publicado en “Nature Astronomy”, vol. 9, 741.

Agua: ingrediente clave para la vida

El agua, o H₂O en su formulación química, es uno de los ingredientes clave para la vida en la Tierra y más importantes para la vida tal y como la conocemos. Por lo tanto, conocer su origen en el Universo es un tema que despierta de forma natural un gran interés entre la comunidad científica. Tradicionalmente, se ha pensado que el agua en el Universo temprano no pudo formarse en cantidades apreciables hasta que las primeras generaciones de estrellas, las llamadas de población III, es decir, estrellas libres de metales, que contenían únicamente hidrógeno y helio y se formaron directamente del material primordial del Big Bang. Fueron este tipo de estrellas precisamente las que enriquecieron el cosmos con oxígeno y otros elementos pesados como resultado de sus explosiones de supernova tras acabar su vida. Por lo tanto, sin estos átomos, el hidrógeno que dominaba el Universo primitivo carecía de los ingredientes necesarios para generar moléculas de agua. Este escenario situaba la aparición de esta molécula tan importante en etapas relativamente tardías de la evolución del Universo, después de cientos de millones de años de historia.

Sin embargo, un nuevo estudio publicado en la prestigiosa revista Nature Astronomy cuestiona esa visión y sugiere que el agua pudo estar presente mucho antes de lo predicho por las teorías existentes hasta el momento. Concretamente, sitúan la aparición del agua en una edad del Universo comprendida entre apenas 100 y 200 millones de años después del Big Bang. En el astrobito de hoy, explicamos cómo este estudio ha podido reconstruir el origen del agua a edades más tempranas de lo esperado, arrojando un poco de luz a las las fases iniciales del Universo y a la creación de una de las moléculas más importantes para la vida.

Explosiones primordiales como fábricas de agua

Para llevar a cabo este estudio, el equipo de investigación responsable utilizó simulaciones numéricas de alta resolución para modelar cómo las primeras supernovas no solo fabricaron los primeros metales, sino que también propiciaron el entorno químico y físico adecuado para que surgiera el agua. El equipo estudió dos escenarios distintos de supernovas primordiales (como se muestra en la Figura 1). En uno, una estrella de 13 veces la masa del Sol finaliza su vida en una explosión de colapso de núcleo (el agotamiento del material que da lugar a las reacciones nucleares reduce la estabilidad de la estrella hasta que su núcleo colapsa debido a la alta gravedad), liberando energía y oxígeno al medio que la rodea. En el otro, una estrella mucho más masiva, de 200 masas solares, muere por inestabilidad de pares (la estabilidad del núcleo se reduce debido a la alta producción de electrones y positrones en interacciones nucleares de los elementos de la estrella hasta el colapso final de la misma) en un evento aún más energético que expulsa enormes cantidades de metales. En ambos casos, el oxígeno procedente de la estrella se combina con el hidrógeno y con moléculas de hidrógeno presentes en el entorno, lo que da lugar a la formación de agua.

Figura 1: Los paneles superiores muestran las simulaciones de las explosiones de supernova por colapso del núcleo (izquierda) y por inestabilidad de pares (derecha) y su temperatura. Los paneles inferiores muestran la concentración de moléculas de agua en cada caso (colapso del núcleo a la izquierda e inestabilidad de pares a la derecha), donde se ve que la mayor concentración se encuentra en la zona central de la supernova. Crédito: Figuras 1 y 4 del artículo original.

Aunque las simulaciones muestran que una fracción del agua se distribuye de manera difusa en las grandes burbujas de gas creadas por las explosiones, los resultados revelaron también que los depósitos más importantes se concentran en núcleos densos de gas y polvo dentro de los restos de supernova (paneles inferiores de la Figura 1). En estas regiones compactas, las altas densidades, la mezcla de metales y el enfriamiento eficiente del gas dan lugar al entorno perfecto para la formación de moléculas de agua, aumentando drásticamente su producción en comparación con otras regiones. De hecho, en algunos casos, las abundancias alcanzadas son comparables a las que encontramos hoy en el propio Sistema Solar. Estos núcleos densos son además candidatos naturales a convertirse en discos protoplanetarios alrededor de nuevas estrellas (Figura 2), lo que abre la posibilidad de que los primeros planetas formados en el Universo ya contaran con agua desde su nacimiento.

Figura 2: Ilustración del disco protoplanetario PDS 70 en el que el telescopio espacial James Webb detectó la posible presencia de agua. Crédito: MPIA.

El futuro de la búsqueda de agua

El resultado obtenido en este estudio cambia la manera en que entendemos la historia química del Universo, demostrando que el agua pudo ser un componente básico de las primeras galaxias. Aunque parte de este agua se habría destruido bajo la intensa radiación ultravioleta de las primeras estrellas, otra fracción habría sobrevivido gracias a la protección ofrecida por el polvo interestelar. Así, el agua habría estado disponible para enriquecer las nubes de gas que dieron origen a nuevas generaciones de estrellas y sistemas planetarios, proporcionando un entorno más favorable para la formación de planetas con condiciones de habitabilidad similares a las de la Tierra en etapas muy tempranas del Universo.

Poniendo la vista en el futuro, el equipo investigador sugiere que estas predicciones podrían comprobarse observacionalmente. El agua produce emisiones características que en el rango de frecuencias milimétricas y de microondas, que pueden llegar a ser detectadas a grandes distancias gracias a telescopios como el radiotelescopio ALMA situado en Chile o, en el futuro, el Square Kilometer Array Observatory (SKAO). Si estas señales fueran observadas en galaxias a corrimientos al rojo muy elevados, es decir, muy lejanas y por tanto de una edad muy elevada, confirmarían que el agua ya estaba presente en el Universo temprano. Con ello, no solo se esclarecería el origen de este recurso esencial para la vida, sino que también se ampliaría nuestra comprensión sobre cómo en las primeras etapas del Universo, se dieron las condiciones para la aparición de los ingredientes que más tarde hicieron posible la aparición de planetas habitables como la Tierra.