Un equipo internacional de astrofísicos ha desarrollado un modelo que explica cómo estrellas extremadamente masivas forjaron los primeros cúmulos estelares y galaxias del universo. Estos gigantes, miles de veces más pesados que el Sol, dejaron huellas químicas en antiguos cúmulos globulares y podrían haber sembrado los primeros agujeros negros. Los hallazgos conectan la formación estelar con observaciones del Telescopio Espacial James Webb.
Un equipo internacional liderado por el investigador de ICREA Mark Gieles, del Instituto de Ciencias del Cosmos de la Universidad de Barcelona (ICCUB) y del Instituto de Estudios Espaciales de Cataluña (IEEC), ha creado un nuevo modelo que arroja luz sobre estrellas extremadamente masivas (EMS) con más de 1.000 veces la masa del Sol. Publicado en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, la investigación demuestra cómo estos gigantes de corta vida moldearon la formación y el desarrollo temprano de los cúmulos estelares más antiguos del universo.
Los cúmulos globulares (GC) son colecciones esféricas y densamente compactadas de cientos de miles a millones de estrellas, que se encuentran en casi todas las galaxias, incluida la Vía Láctea. La mayoría tienen más de 10.000 millones de años y surgieron poco después del Big Bang. Las estrellas en estos cúmulos muestran composiciones químicas inusuales, con niveles variables de helio, nitrógeno, oxígeno, sodio, magnesio y aluminio: variaciones desconcertantes que sugieren procesos que alteraron el gas original.
El modelo amplía la teoría del flujo inercial, aplicada a las condiciones del universo temprano. En cúmulos estelares masivos, los flujos de gas turbulentos generan de forma natural EMS que van de 1.000 a 10.000 masas solares. Estas estrellas producen vientos potentes llenos de productos de fusión de hidrógeno a alta temperatura, que se mezclan con gas prístino para crear huellas químicas distintas en estrellas posteriores.
"Nuestro modelo muestra que solo unas pocas estrellas extremadamente masivas pueden dejar una huella química duradera en todo un cúmulo", explica Mark Gieles (ICREA-ICCUB-IEEC). "Finalmente, vincula la física de la formación de cúmulos globulares con las firmas químicas que observamos hoy en día."
Los investigadores Laura Ramírez Galeano y Corinne Charbonnel de la Universidad de Ginebra añaden: "Ya se sabía que las reacciones nucleares en los centros de estrellas extremadamente masivas podían crear los patrones de abundancia apropiados. Ahora tenemos un modelo que proporciona un camino natural para formar estas estrellas en cúmulos estelares masivos."
Este proceso se desarrolla en uno o dos millones de años, antes de las explosiones de supernovas, evitando la contaminación por material de supernova. Los hallazgos se extienden a galaxias ricas en nitrógeno observadas por el Telescopio Espacial James Webb (JWST), que probablemente contienen GC dominados por EMS de la evolución temprana de galaxias.
"Las estrellas extremadamente masivas podrían haber jugado un papel clave en la formación de las primeras galaxias", señala Paolo Padoan (Dartmouth College e ICCUB-IEEC). "Su luminosidad y producción química explican de forma natural las proto-galaxias enriquecidas con nitrógeno que ahora observamos en el universo temprano con el JWST."
Se cree que estas estrellas colapsan en agujeros negros de masa intermedia con más de 100 masas solares, potencialmente detectables mediante ondas gravitacionales. El estudio, detallado en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2025; 544 (1): 483, DOI: 10.1093/mnras/staf1314), ofrece una explicación unificada para la formación estelar, el enriquecimiento químico y los orígenes de agujeros negros en el universo temprano.