Hidrógeno puro y sin elementos pesados: el telescopio James Webb detecta por primera vez las estrellas que marcaron el origen del Universo

Astrónomos lograron detectar por primera vez un sistema estelar que cumple completamente con tres criterios teóricos clave para objetos que contienen estrellas de la tercera población —las primeras luminarias en el universo—. El candidato a tal sistema, denominado LAP1-B, fue registrado con la ayuda del telescopio espacial James Webb. La observación fue posible gracias al aumento gravitacional de la luz por el masivo cúmulo de galaxias MACS J0416, que permitió resolver la fuente a un corrimiento al rojo z = 6,6.

Según los modelos teóricos, las estrellas de la tercera población se forman en halos de materia oscura con un contenido extremadamente bajo de elementos pesados, a temperaturas entre 1 000 y 10 000 K. Esas son precisamente las condiciones características de LAP1-B. Su masa se estima en 5 × 10^7 masas solares, lo que indica la presencia de un halo capaz de retener una nube de gas e iniciar la formación de las primeras estrellas. Las mediciones espectrales, la línea Hα y la relación entre oxígeno e hidrógeno apuntan a una activa formación estelar en condiciones típicas de sistemas tan primitivos.

El modelo aplicado por el equipo de investigación liderado por Eli Visbal permitió determinar que LAP1-B probablemente contiene varios miles de estrellas masivas que se formaron hace no más de tres millones de años. La radiación de esas estrellas ioniza el gas circundante, creando líneas de emisión características mediante las cuales se logró identificar el sistema. Las emisiones de oxígeno y carbono detectadas en el espectro podrían haberse originado ya sea por la explosión en supernova de una de las estrellas masivas, ya sea por el viento estelar de astros de rotación rápida.

Un argumento importante a favor de la identificación de LAP1-B como un sistema con primeras estrellas es la estructura de la población estelar. Los modelos sugieren que en esos cúmulos predominan las estrellas pesadas con masas de 10 a 1 000 masas solares, lo que se confirma en el análisis espectral. La masa estelar total del sistema es de alrededor de 1 000 masas solares, lo cual concuerda con las predicciones para cúmulos de la tercera población.

Los autores señalan que el sistema se encuentra en el límite de detectabilidad para el telescopio James Webb (JWST). Según los cálculos, objetos de este tipo deberían ser más visibles precisamente en corrimientos al rojo alrededor de z = 6,5. En etapas más tempranas de la evolución del universo, a pesar de la mayor abundancia de estrellas similares, su menor masa y su mayor lejanía las hacen demasiado débiles para las observaciones. Esto explica por qué LAP1-B se convirtió en el primer candidato confirmado.

Es interesante que junto a LAP1-B se localice otra galaxia débil, LAP1-A. Se estima que podría residir en el mismo halo oscuro y ser el resultado de una fusión reciente. Sin embargo, su brillo es significativamente menor, posiblemente debido a un número menor de estrellas o a una etapa evolutiva más tardía.

Así, LAP1-B se ha convertido en el primer sistema estelar que cumple simultáneamente los tres criterios: formación en un halo frío y pobre en metales, presencia de estrellas masivas y formación de un cúmulo compacto antes del inicio de la contaminación por metales.

La observación confirma no solo las predicciones teóricas, sino que también demuestra la eficacia de las estrategias de observación basadas en el uso de lentes gravitacionales. En el futuro, es probable que el telescopio James Webb pueda encontrar otros sistemas similares, sobre todo si se incrementa la sensibilidad de las observaciones.