Fósil estelar: huellas de supernovas de inestabilidad de pares de primeras estrellas muy masivas. Crédito: NAOC
Científicos de la Academia de Ciencias de China y colaboradores internacionales han descubierto una estrella, LAMOST J1010+2358, que proporciona la primera evidencia tangible de supernovas de inestabilidad de pares (PISNe) de las primeras estrellas del Universo. Este hallazgo, publicado en Naturalezaarroja luz sobre la evolución de las estrellas masivas y la función de masa inicial del Universo primitivo.
Las primeras estrellas iluminaron el Universo durante el Amanecer Cósmico y pusieron fin a las «edades oscuras» cósmicas que siguieron al Big Bang. Sin embargo, la distribución de su masa es uno de los grandes misterios sin resolver del cosmos.
Las simulaciones numéricas de la formación de las primeras estrellas estiman que la masa de las primeras estrellas alcanzó varios cientos de masas solares. Entre ellas, las primeras estrellas con masas entre 140 y 260 masas solares terminaron como supernovas de inestabilidad de pares (PISNe). PISNe son bastante diferentes de las supernovas ordinarias (es decir, supernovas de Tipo II y Tipo Ia) y habrían impreso una firma química única en la atmósfera de las estrellas de la próxima generación. Sin embargo, no se ha encontrado tal firma.
Un nuevo estudio dirigido por el Prof. Gang Zhao, de los Observatorios Astronómicos Nacionales de la Academia de Ciencias de China (NAOC), ha identificado una estrella químicamente peculiar (LAMOST J1010+2358) en el halo galáctico como clara evidencia de la existencia de PISNe en las primeras estrellas muy masivas del Universo primitivo. basado en el estudio LAMOST (Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope) y la observación de espectros de alta resolución de seguimiento realizada por el Telescopio Subaru. Se ha confirmado que esta estrella se formó en la nube de gas dominada por los rendimientos de un PISN con 260 masas solares.
El equipo también incluye investigadores de los Observatorios de Yunnan de CAS, el Observatorio Astronómico Nacional de Japón y la Universidad de Monash, Australia.
Este estudio se publicará en línea en Naturaleza hoy (7 de junio de 2023).
Comparación de abundancias observadas y modelos. Las abundancias químicas de J1010+2358 comparadas con las predicciones de tres modelos teóricos de supernova. Las barras de error son incertidumbres de 1 sigma de las abundancias observadas. Crédito: NAOC
El equipo de investigación realizó una observación espectroscópica de alta resolución de seguimiento para J1010+2358 con el telescopio Subaru y obtuvo abundancias para más de diez elementos. La característica más significativa de esta estrella es su extremadamente baja abundancia de sodio y cobalto. Su relación sodio-hierro es inferior a 1/100 del valor solar. Esta estrella también muestra una variación de abundancia muy grande entre los elementos con números de carga pares e impares, como sodio/magnesio y cobalto/níquel.
«La peculiar variación impar-par, junto con las deficiencias de sodio y elementos α en esta estrella, son consistentes con la predicción de PISN primordial de estrellas de primera generación con 260 masas solares», dijo el Dr. Qianfan Xing, primer autor del estudio.
El descubrimiento de J1010+2358 es una evidencia directa de la inestabilidad hidrodinámica debida a la producción de pares electrón-positrón en la teoría de la evolución de estrellas muy masivas. La creación de pares electrón-positrón reduce la presión térmica dentro del núcleo de una estrella muy masiva y conduce a un colapso parcial.
«Proporciona una pista esencial para restringir la función de masa inicial en el universo primitivo», dijo el Prof. Gang Zhao, autor correspondiente del estudio. «Antes de este estudio, no se había encontrado evidencia de supernovas de estrellas tan masivas en las estrellas pobres en metales».
Además, la abundancia de hierro de LAMOST J1010+2358 ([Fe/H] = -2,42) es mucho mayor que las estrellas más pobres en metales del halo galáctico, lo que sugiere que las estrellas de segunda generación formadas en el gas dominado por PISN pueden ser más ricas en metales de lo esperado.
«Uno de los santos griales de la búsqueda de estrellas pobres en metales es encontrar evidencia de estas primeras supernovas de inestabilidad de pares», dijo el Prof. Avi Loeb, exdirector del Departamento de Astronomía de la Universidad de Harvard.
Profe. Timothy Beers, presidente de la cátedra de astrofísica de la Universidad de Notre Dame, comentó sobre los resultados: «Este documento presenta lo que es, que yo sepa, la primera asociación definitiva de una estrella del halo galáctico con un patrón de abundancia que se origina en un PISN».
Referencia: «Una estrella pobre en metales con abundancias de una supernova de inestabilidad de pares» 7 de junio de 2023, Naturaleza.
DOI: 10.1038/s41586-023-06028-1
