Suplements 23/02/2014

Arqueòlegs de les estrelles

Científics del MIT han analitzat l’estrella més antiga que s’ha detectat fins ara. Per la seva composició química, han arribat a la conclusió que té uns 13.000 milions d’anys

Curtis Brainard
6 min
Arqueòlegs de les estrelles Les primeres estrelles Arriba la segona generació Les estrelles  més joves

The New York TimesFa quatre anys, Anna Frebel, una jove astrònoma del Massachusetts Institute of Technology (MIT), va descobrir una estrella molt antiga en una galàxia veïna. La seva composició química va resultar gairebé idèntica a la d’algunes estrelles poc comunes que hi ha als extrems de la nostra galàxia i que són més antigues que la mateixa Via Làctia. Va ser un descobriment impactant que apuntava que la Via Làctia, una galàxia relativament jove, s’expandeix tot engolint galàxies nanes més antigues que hi ha al seu voltant. D’altra banda, la troballa també va posar en relleu la importància d’una nova manera de dilucidar com l’Univers ha anat evolucionant des del Big Bang fins al Cosmos modern. Tradicionalment, els astrònoms han estudiat els principis de l’Univers buscant vestigis de llum amb milers de milions d’anys d’antiguitat. Però els estudis de Frebel i altres investigadors han demostrat que analitzant la composició química de les estrelles també es pot fer aquest viatge en el temps. Hi ha estrelles antiquíssimes situades més a prop nostre que es poden estudiar amb l’ajuda de potents telescopis i d’espectroscopis d’alta resolució. Aquestes estrelles són a l’halo de la Via Làctia, i s’ha obtingut una quantitat ingent de dades sobre la creació dels elements i la formació de les primeres estrelles i les primeres galàxies.

Aquests astrònoms són com egiptòlegs que pentinen el desert a la recerca de relíquies de civilitzacions extingides. De fet, s’anomenen a ells mateixos arqueòlegs estel·lars. La seva recerca es basa en el fet que les estrelles rares i primitives que busquen tenen molt pocs àtoms que siguin més pesants que l’hidrogen o l’heli, els gasos a partir dels quals es van formar, mentre que el nostre Sol i altres estrelles relativament joves contenen una gran quantitat d’altres elements que els astrònoms anomenen metalls.

Els especialistes creuen que algunes estrelles antigues es van formar a partir de la pols químicament enriquida resultant de les morts explosives de la primera generació d’estrelles. També creuen que les atmosferes d’aquestes estrelles antigues amaguen informació important sobre les seves avantpassades, com si es tractés de l’ADN que un progenitor transmet a la seva descendència.

Els ingredients

Les primeres estrelles estaven compostes íntegrament d’hidrogen, d’heli i de traces negligibles de liti. En no estar formades per elements pesants que refredessin els núvols de gasos, creixien fins a proporcions colossals, consumien el seu combustible de manera accelerada i explotaven en forma de supernoves.

Durant les diverses etapes de l’evolució d’aquestes estrelles primitives, la calor intensa que produïen feia que es fusionessin els àtoms d’hidrogen i d’heli i formessin elements més pesants (els primers metalls) que, al seu torn, possibilitaven la formació d’estrelles longeves i poc massives.

Algunes d’aquelles estrelles primitives de segona i de tercera generació van anar a parar al nostre racó de l’Univers, on van passar desapercebudes als astrònoms durant molt de temps, perdudes en un mar d’estrelles encara més joves. La majoria d’estrelles que veiem al cel tenen un contingut en metalls (de ferro, per exemple) relativament alt. Se les coneix com a estrelles de la població I, perquè durant un temps es va pensar que eren l’únic tipus d’estrelles existent.

Però això va canviar el 1951, quan els astrònoms Joseph W. Chamberlain i Lawrence H. Aller van descobrir les dues primeres estrelles de la població II, que contenien si fa o no fa una tricentèsima part del ferro que contenia el nostre Sol. Al cap de tres dècades, el 1984, dos astrònoms de l’Observatori de Mount Stromlo d’Austràlia, John Norris i Mike Bessell, van topar per casualitat amb una estrella que només contenia una deumil·lèsima part del ferro que conté el Sol.

El contingut de ferro es correspon estretament amb el que els astrònoms anomenen metal·licitat, que s’expressa amb una escala logarítmica: -2,0 és una centèsima part de l’abundància (contingut relatiu) de ferro del Sol; -3,0 és una mil·lèsima part i així successivament. L’abundància de ferro de l’estrella que es va descobrir el 1984 era -4,0. Però allò només era el principi. Els investigadors ja sospitaven que trobarien més estrelles de baixa metal·licitat. Tot i això, no se’n va trobar cap més fins gairebé 20 anys després.

L’estrella més antiga

Un estudi del cel austral dut a terme durant els 90 va trobar una sèrie selecta de candidates amb una metal·licitat potencialment baixa. El 2002 l’alemany Norbert Christlieb, de la Universitat d’Hamburg, va anunciar que una d’aquestes estrelles, situada a 36.000 anys llum de la Terra, a la constel·lació Fènix i a l’halo de la Via Làctia, tenia una metal·licitat de -5,2. Es tractava d’“una relíquia de l’albada dels temps”, en paraules de la revista Nature. Poc després es va descobrir una estrella amb una metal·licitat de -5,4.

Fins fa unes setmanes, era la que tenia un contingut relatiu de ferro més baix de totes les que s’han descobert. Però Frebel i uns col·legues han anunciat a Nature un nou rècord: una estrella situada a la constel·lació de l’Hidra Mascle (Hydrus), que forma part de la Via Làctia, i que té una metal·licitat de menys de -7,1. Presumiblement, l’estrella, que es coneix amb el nom de SMSS 0313-6708, és molt antiga, potser la més antiga que s’ha identificat mai. Els astrònoms que l’han detectat estimen que es va formar fa més de 13.000 milions d’anys, però són incapaços de determinar-ne l’edat amb exactitud. Una de les poques maneres de determinar l’antiguitat d’una estrella consisteix a analitzar elements radioactius com ara l’urani o el tori, dels quals es coneix la vida mitjana. És el mateix que es fa amb el carboni 14 a la Terra. No obstant, es creu que només prop d’un 5% d’estrelles tenen aquesta composició química.

Per ara, els astrònoms han trobat sis estrelles amb menys abundància de ferro que una deumil·lèsima part de la del Sol (-4). Són precisament aquestes les que més els interessen. “Estem detectant estrelles que tenen més de 13.000 milions d’anys d’antiguitat. Creiem que és plausible que es tracti d’estrelles de segona generació. Ara mirem de desxifrar-ne la composició química”, afirma Frebel.

I la seva composició química apunta que, per exemple, les primeres supernoves podrien no haver alliberat tanta energia explosiva com havien pensat els astrònoms. Això, alhora, implica que possiblement les primeres estrelles no eren tan massives com es creia i que algunes de les primeres supernoves “van fallar, en certa manera”, diu Frebel, atès que la majoria del material de l’estrella podria haver caigut en un forat negre en lloc de ser expulsat a l’espai.

Una altra observació determinant és que cinc de les sis estrelles conegudes presenten uns nivells insòlitament alts de carboni en relació amb els de ferro. Segons Frebel, això podria indicar que aquest element, el carboni, va tenir un paper destacat des del principi, afavorint el refredament del gas interestel·lar que va permetre que es formessin les primeres estrelles poc massives.

les primeres estrelles

Les primeres estrelles es van formar centenars de milions d’anys després del Big Bang a partir de nebuloses primordials d’hidrogen i d’heli. Els metalls encara no existien, a excepció d’algunes traces de liti. La fusió nuclear que es produïa dins els estels va anar creant els diferents elements fins a arribar al ferro. Els elements encara més pesants van sorgir amb l’explosió en forma de supernova d’estrelles molt massives i de vida curta. Els nous metalls que van ser expulsats a l’espai van començar a enriquir l’Univers.

Arriba la segona generació

Les estrelles de baixa metal·licitat es van formar a partir de les restes de les primeres estrelles. Contenen metalls en petites quantitats. Els astrònoms detecten els elements de les estrelles distants mesurant la quantitat de llum estel·lar que reben a diferents longituds d’ona. Sovint s’utilitza l’espectre resultant per mesurar l’abundància relativa de ferro en comparació amb l’hidrogen. L’HE 1327-2326, un astre a prop de la cua de la constel·lació d’Hidra, és una de les estrelles més pobres en ferro.

Les estrelles més joves

Les estrelles amb una alta metal·licitat, com ara el Sol, s’han enriquit per les aportacions de moltes generacions d’estrelles precedents. Així doncs, les estrelles d’aquest tipus tenen un percentatge més alt de metalls. El Sol, per exemple, està format d’hidrogen i d’heli en un 98,6% i té una proporció de ferro molt superior a la de les estrelles de baixa metal·licitat. Les estrelles que es troben a l’halo de la Via Làctia tendeixen a tenir un contingut metàl·lic més reduït que les estrelles més joves del centre de la galàxia.

stats