El origen de las primeras estrellas

Esta publicación está basada en la charla que di el pasado día en Desgranando ciencia, que trataba de uno de mis temas predilectos: la evolución de las estrellas y la nucleosíntesis.  Que lo disfrutéis.

¿Cómo nacieron las primeras estrellas?

Al principio, no había estrellas.

Si partimos desde el big bang, tuvieron que transcurrir unos 380.000 años para que el universo se enfriara lo suficiente como para que se formaran los primeros átomos estables. Entonces tampoco hubo estrellas.

Lo que sí apareció fue el hidrógeno, el elemento más sencillo posible, en una proporción de tres cuartas partes de toda la materia que llamamos ordinaria. El resto fue helio y trazas de litio.

Durante millones de años estos elementos flotaron en la oscuridad de un espacio-tiempo en expansión acelerada. Y durante ese tiempo tampoco hubo estrellas. 

Pero la gravedad actuó lenta e inexorablemente y guiada por pequeñas diferencias de densidad, el gas comenzó a agruparse en protogalaxias, aún apagadas, cuyo interior rebosaba de gigantescas nubes moleculares. Las primeras galaxias estaban a punto de encenderse.

Miremos de cerca una de estas enormes nubes: una nebulosa estelar.

Recordemos que la gravedad se vuelve más poderosa mientras más masa haya, puesto que el espacio tiempo se curva y redirige el gas disperso a un punto central cuya densidad aumenta.

Tanto se comprime, que los átomos se acercan y superan sus fuerzas nucleares y electromagnéticas…entonces se fusionan. El resultado de la fusión es la síntesis de un nuevo elemento, helio, y la liberación de energía. Hágase la luz.

Entonces ¿Qué es una estrella?

Pues a mí me gusta decir que es una batalla entre dos fuerzas opuestas.

Una es la gravedad, el motor de la fusión, que empuja hacia dentro la propia estrella de forma radial. La energía liberada por la fusión produce una presión de radiación que se opone hacia fuera y mantiene equilibrado el cuerpo estelar.

Y así, mientras haya hidrógeno, mientras haya combustible, la estrella alcanza su fase de secuencia principal y, estabilizada, brillará durante millones de años. 

Creemos que las primeras estrellas del universo se encendieron unos 200 millones de años más o menos después del big bang. Fueron gigantescas, mucho más grandes que las estrellas que podemos observar hoy en día con nuestros instrumentos. 

Estrellas tan inmensas estaban condenadas a morir de manera espectacular.

Y es que al quemar todo su hidrógeno ¿cómo pelear contra el colapso gravitatorio si no hay combustible?¿Cómo seguir librando este titánico pulso? Pues precisamente con el helio resultante, que requiere más presión y temperatura para iniciar su propia fusión. 

Y cuando se agota el helio, le sigue su turno al carbono y luego al oxígeno y así sucesivamente a través de elementos cada vez más pesados.

Hasta llegar a un núcleo de hierro y níquel.

Entonces hay un problema. La fusión ya no es exotérmica, ya no aporta energía para pelear sino que la necesita, ya no se opone a la gravedad que gana la batalla, colapsando la estrella.

En estos últimos y convulsos momentos, la materia se comprime como nunca antes y adquiere exóticos estados a presiones y temperaturas inimaginables. En estas extremas condiciones se liberan fotones de alta energía, neutrones y neutrinos. En un instante, los neutrones bombardean elementos ya presentes y se crean otros aún más pesados, como el oro o el uranio.

Toda la energía que una estrella puede liberar durante eones, se expulsa en cuestión de segundos y explota como una supernova.

Este fue el destino de las primeras estrellas que esparcieron sus elementos por todo universo.

Pero seguían existiendo grandes cantidades de hidrógeno y nuevas nubes volverían a formarse y a colapsar gravitatoriamente. Las siguientes generaciones de estrellas nacerían a partir de estos restos con mayor metalicidad (recordemos que para los astrónomos todo lo que esté por encima del helio es un metal, no se complican la vida).

Sus características dependerían en gran medida de la masa inicial con la que se formaron.

• Las más pequeñas serían enanas marrones, consideradas estrellas fallidas, porque no han conseguido suficiente masa para encenderse de verdad. Son frías pues sus reacciones de fusión escasean. Son casi un eslabón perdido entre un planeta enorme y una estrella diminuta.
• Las siguientes serían las enanas rojas, las estrellas más abundantes en el universo. Su temperatura y tamaño no es elevado, pero precisamente debido a esto, su vida será más larga porque queman su combustible lentamente.
• Las enanas amarillas y blancas, en cuya categoría entra nuestro sol, son las siguientes en masa, con una temperatura y vida media.
• Y finalmente las gigantes azules, las más grandes, calientes y las que viven menos porque, aunque poseen más combustible, lo fusionan a mayor velocidad.

Estas estrellas, como todas, morirán y su muerte también estará condicionada por su masa.

• Las estrellas pequeñas nunca serán capaces de iniciar el proceso de fusión del helio, no tienen suficiente gravedad para conseguir la presión y temperatura requerida y se tornarán en enanas blancas. Los electrones son los que se oponen al colapso gravitatorio.
• Las estrellas medianas, si fusionarán helio transformándose en gigantes rojas. Su gravedad les permitirá entrar en un ciclo de expansión y contracción que acabará por expulsar las capas más externas formando una nebulosa planetaria y eventualmente también quedará una enana blanca como remanente.

• Por último, con las estrellas más grandes pasará algo similar a lo que ocurrió con la estrellas primigenias. Explotarán en supernova y dejarán un bonito cadáver. Por debajo de 8 masas solares, en los restos quedará una estrella de neutrones, cuya materia neutrónica será la que se oponga a la gravedad, la última frontera antes del colapso definitivo. Por encima de este límite, un agujero negro estelar, el resultado inevitable de una gravedad desbocada que no encuentra ningún freno que la detenga. 

Hoy en día vivimos una época privilegiada, las estrellas siguen naciendo y muriendo. Las nebulosas siguen siendo guarderías estelares y nosotros estamos aquí para ser testigos de ello. Pero algún día, el universo será cada vez más frío, las galaxias más lejanas entre ellas, las estrellas recién nacidas cada vez más pequeñas, el hidrógeno cada vez más escaso.

El resultado es que las galaxias envejecerán y solo quedarán enanas rojas y remanentes estelares: enanas blancas, estrellas de neutrones y agujeros negros. Y si miramos hacia el futuro distante, hasta las estrellas más longevas se apagarán y volverá la oscuridad que reinará durante una eternidad.

Disfrutemos pues del universo que tenemos ahora, somos una especie joven, seguro que podremos alcanzar las estrellas. Muchas gracias.