El modelo cosmológico estándar da lugar a las primeras estrellas cuando el Universo observable era más denso que hoy y la nucleosíntesis primordial de elementos químicos durante el Big Bang no había superado los isótopos de hidrógeno, helio y litio. De ello se deduce que las primeras estrellas no pudieron nacer como las estrellas que hoy se pueden observar en la Vía Láctea y que eran diferentes.
Los teóricos de la estructura estelar todavía nos dicen que estas estrellas deben haber sido muy masivas, al menos cien veces la masa del Sol, y más probablemente cientos de veces la de nuestra estrella e incluso miles. También se deduce que explotarían rápidamente en supernovas de un tipo diferente, supernovas de inestabilidad de pares (Par de supernovas de inestabilidad : PISNe) que involucra no solo una nucleosíntesis exótica, sino también la creación de partículas de antimateria.
Nicolas Prantzos, CNRS, Instituto de Astrofísica de París, nos habla de la nucleosíntesis de elementos en dos vídeos. © Sociedad Francesa de Exobiología
Estas estrellas dejaron de formarse y existen unos cientos de millones de años después del Big Bang, pero los astrofísicos predijeron que deben haber dejado rastros en forma de composición química no estándar en estrellas más antiguas. Algunos de ellos todavía están en el halo de material alrededor de la Vía Láctea y los investigadores han estado tratando de detectarlos durante más de una década, incluidos los astrónomos que utilizan el Telescopio espectroscópico de fibra multiobjeto de área grande Sky o el Telescopio Guo Shoujing (abreviado como Lamost), un telescopio óptico chino de 4 metros de diámetro. Las estrellas potencialmente interesantes que se detectaron con este telescopio tenían su atmósfera estudiada químicamente por espectroscopia con el telescopio japonés Subaru.
Hoy, una publicación en Naturaleza provenientes principalmente de astrofísicos del Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) y China (NAOC) dan a conocer que la estrella Lamost J101051.9+235850.2 (en adelante J1010+2358) parece poseer de hecho las huellas cosmoquímicas de la existencia de PISNe.
La electrodinámica cuántica de estrellas masivas
Pero, antes de seguir adelante, conozcamos las supernovas de inestabilidad de pares de las que Futura ya ha hablado en varios artículos.
Como explicamos, varios astrofísicos teóricos predijeron hace casi 50 años que algunas estrellas eran inestables debido a un fenómeno bien descrito por las ecuaciones de la electrodinámica cuántica. De hecho, con un par de fotones gamma suficientemente energético, un cálculo realizado con los famosos diagramas de Feynman, muy conocidos por los especialistas en física de altas energías, indica que se pueden crear pares partícula-antipartícula.
En el caso de una estrella muy masiva de más de 100 masas solares, muchos de los fotones producidos por reacciones termonucleares en el núcleo de estas estrellas están en el dominio gamma. Sin embargo, cada uno de ellos puede dar a luz a un par. electrón-positrón si tienen suficiente energía. Esta es básicamente una consecuencia muy simple de la fórmula de Einstein, E=mcdosla energía de los fotones se convierte en la masa de las dos partículas.
Cuando la creación de la materia yantimateria a medida que este proceso cobra importancia, la presión del flujo de fotones gamma en las capas de la estrella se vuelve insuficiente para oponerse a su contracción por efecto de su propia gravedad, porque parte de la radiación se convierte en un componente que se comporta como una mezcla de gases a baja presión Sin embargo, esa misma contracción aumentará la velocidad de las reacciones nucleares al calentar el corazón de la estrella. La producción de fotones gamma creadores de antimateria aumentará aún más y el proceso se volverá inestable cuando la estrella contenga al menos 130-140 masas solares (abajo, se producen oscilaciones y la estrella se vuelve pulsante). Se deja llevar.
Una exótica nucleosíntesis estelar
La temperatura no dejará de subir y, en muy poco tiempo, el corazón de la estrella, que contiene una mezcla de núcleos de carbono y oxígeno, explotará debido a las reacciones termonucleares que se producirán convirtiendo su materia en núcleos pesados. Este nuevo tipo de supernova, llamado Par de supernovas de inestabilidad (PISNe). No deja atrás ninguna estrella compacta, excepto posiblemente un agujero negro si la estrella es lo suficientemente masiva, es decir, probablemente más de 260 masas solares. La explosión debería superar la de una supernova normal y estar acompañada de la producción de una gran cantidad de níquel radiactivo, además de una gran cantidad de material eyectado.
Pero cuidado, si la estrella es aniquilada de alguna manera, no es la producción de antimateria la responsable de esto, los positrones no pueden aniquilar los protones y neutrones de los núcleos de la estrella. De hecho, es el estallido de la explosión, la onda de choque producida, la que dispersa completamente la materia de la estrella madre de PISNe.
En los gráficos de arriba, los discos rojos representan medidas de la abundancia de ciertos elementos en la atmósfera de la estrella Lamost J101051.9+235850.2. Los dos gráficos superiores muestran la composición final, tras la fase de nucleosíntesis de los elementos, antes del colapso gravitatorio y explosión de supernova de una estrella estándar de 10 y 85 masas solares, respectivamente. Los dos gráficos inferiores muestran predicciones de la composición química final de estrellas moribundas como PISNe. Claramente, el modelo con producción de antimateria y una masa de 260 masas solares reproduce la composición inicial de una nube en el halo de la Vía Láctea que, cuando colapsó gravitatoriamente hace más de 10 mil millones de años, dio J1010+2358.
Otro video de la pista educativa AstrobioEducação que habla sobre la nucleosíntesis de elementos, supernovas y la evolución química de la Vía Láctea. © Sociedad Francesa de Exobiología
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