Así nació la primera estrella del universo: científicos crean una nueva simulación que revela con detalle su origen

El universo primitivo, una era fascinante que se desarrolló unos pocos cientos de millones de años después del Big Bang, fue el escenario donde emergieron las primeras estrellas, conocidas como estrellas de Población III (Pop III). Compuestas casi exclusivamente de los elementos más ligeros, hidrógeno y helio, y su formación fue un paso fundamental en la evolución cósmica, sentando las bases para la aparición de los elementos pesados que hoy conocemos.

El período previo a que las primeras estrellas iluminaran su entorno se denomina Edad Oscura. En ese momento, el universo se había enfriado lo suficiente como para volverse transparente y permitir el paso de la luz. Pero aún no había estrellas, por lo que no había fuentes de luz.

Durante mucho tiempo, los modelos teóricos predominantes sugerían que estas estrellas inaugurales se formaron a través de un colapso gravitacional relativamente suave y uniforme de nubes de gas primitiva. Sin embargo, esta perspectiva dejaba importantes interrogantes sin resolver, particularmente en lo que respecta a la masa de estas estrellas y la ausencia de ciertas "huellas químicas" esperadas en el universo actual.

Un estudio pionero, liderado por Ke-Jung Chen y su equipo, incluyendo a Meng-Yuan Ho y Pei-Cheng Tung, y publicado en Astrophysical Journal Letters el 30 de julio de 2025, ha transformado radicalmente esta visión.

El escenario primordial: minihalos de materia oscura

En esta reciente investigación, revela que las nubes de gas primordiales no eran entornos serenos, sino que estaban repletas de movimientos caóticos: eran turbulentas, grumosas y, sorprendentemente, supersónicas. Este hallazgo redefine nuestra comprensión del nacimiento estelar más temprano, ofreciendo nuevas perspectivas sobre cómo el cosmos comenzó a iluminarse.

Las primeras estructuras a gran escala en el universo, formadas a partir de las fluctuaciones cuánticas iniciales del Big Bang, fueron los halos de materia oscura. Estas concentraciones densas, denominadas "minihalos", aunque invisibles, ejercen una poderosa atracción gravitacional, actuando como los "andamios" cósmicos sobre los cuales el gas primordial comenzó a acumularse y colapsar.

En este estudio, los investigadores se enfocaron en un minihalo de materia oscura con una masa aproximada de 10 millones de veces la masa de nuestro Sol (específicamente 1.05 x 10^7 masas solares). A medida que el gas primordial, compuesto principalmente por hidrógeno y helio con una metalicidad extremadamente baja (es decir, muy pocos elementos pesados), era atraído hacia el pozo gravitacional de este minihalo, se establecían las condiciones propicias para la formación de las primeras estrellas.

La simulación revolucionaria: GIZMO e IllustrisTNG

Para esclarecer los complejos procesos que tuvieron lugar en el universo temprano, el equipo de investigación empleó una simulación computacional de vanguardia. Utilizaron el código GIZMO, un software flexible y masivamente paralelo diseñado para resolver las ecuaciones de fluidos y gravedad con una precisión excepcional. La metodología del estudio se distinguió por la combinación de GIZMO con datos cosmológicos de alta resolución provenientes del proyecto IllustrisTNG. IllustrisTNG es un conjunto de simulaciones a gran escala que modelan la evolución del cosmos desde sus inicios.

Lo realmente innovador de esta investigación reside en la resolución sin precedentes alcanzada. El equipo logró aumentar la resolución original de IllustrisTNG en un factor de aproximadamente 100 mil, mediante una técnica de división de partículas. Esta capacidad de observación extremadamente detallada permitió, por primera vez, resolver el desarrollo completo de la turbulencia durante las fases más tempranas de la formación de la primera estrella.

Simulaciones anteriores a menudo se centraban en las regiones centrales de formación estelar, sin lograr capturar adecuadamente la emergencia de la turbulencia a estas escalas, ya que el entorno más amplio del halo permanecía insuficientemente resuelto. La capacidad de modelar con tal detalle la interacción entre el gas que se acumula y el minihalo de materia oscura fue crucial para revelar la dinámica oculta de estas nubes primitivas.

Turbulencia supersónica: el motor de la fragmentación estelar

Los hallazgos de esta simulación desafían la noción de un colapso gravitacional suave, revelando un entorno cósmico sorprendentemente caótico. A medida que el gas primordial era arrastrado hacia el minihalo de materia oscura, generaba una intensa y vigorosa turbulencia supersónica. Esta turbulencia alcanzó velocidades características de aproximadamente 5.2 veces la velocidad del sonido.

Esta turbulencia no fue el efecto secundario del colapso; sino que, fue un motor crucial en el proceso de formación estelar. La fuerza de estas violentas corrientes desgarró eficientemente la nube primordial de gas en múltiples cúmulos densos. La simulación identificó uno de estos cúmulos que estaba a punto de colapsar para formar una estrella con una masa de aproximadamente ocho veces la del Sol, y un tamaño de 0.03 pársecs.

Las nubes de formación estelar primordiales no eran tranquilas, sino que eran turbulentas, grumosas y supersónicas, un contraste directo con los modelos anteriores de colapso suave y compacto. Esta turbulencia fue crucial para fragmentar eficientemente la nube primordial en múltiples cúmulos densos, uno de los cuales estaba formando una estrella de aproximadamente 8 masas solares.

Redefiniendo la primera estrella

La fragmentación de las nubes de gas primordial impulsada por la turbulencia tiene implicaciones trascendentales para nuestra comprensión de las primeras estrellas. El estudio sugiere que, debido a este proceso, las estrellas de Población III podrían haber sido menos masivas y más numerosas de lo que se creía anteriormente. Los modelos previos a menudo predecían la formación de estrellas Pop III supermasivas, con masas que podían alcanzar cientos de masas solares.

Este hallazgo ofrece una elegante solución a un enigma astrofísico de larga data: la aparente ausencia de huellas químicas distintivas de estrellas masivas de primera generación en las estrellas más antiguas que observamos hoy. Las estrellas de Población III supermasivas, con masas entre 130 y 250 masas solares, se esperaba que terminaran sus vidas como supernovas por inestabilidad de pares (PISN).

Estas PISN son explosiones estelares extraordinariamente potentes que destruyen completamente a la estrella progenitora, sin dejar remanentes como agujeros negros o estrellas de neutrones, y esparciendo grandes cantidades de elementos pesados con firmas químicas muy específicas en el espacio interestelar.

Sin embargo, estas firmas químicas distintivas de PISN nunca se han detectado de manera concluyente en las estrellas más antiguas de nuestro universo, lo que ha sido un rompecabezas, ya que si las primeras estrellas fueran predominantemente supermasivas, sus "huellas dactilares" químicas deberían ser evidentes.

El estudio de Chen y su equipo propone que la turbulencia supersónica fragmentó las nubes primordiales en cúmulos más pequeños, lo que llevó a la formación de estrellas Pop III de menor masa, (como la estrella de aproximadamente 8 masas solares identificada en la simulación).

Las estrellas de 8 masas solares no explotan como PISN. Por lo tanto, si las primeras estrellas fueron predominantemente menos masivas debido a la turbulencia, esto explica naturalmente la escasez o ausencia de las huellas químicas de PISN en el universo observado, ya que las estrellas supermasivas que las producirían habrían sido raras. Esta conexión entre la dinámica del gas primordial y la masa de las primeras estrellas es un avance significativo en la cosmología.

Por lo tanto, la turbulencia supersónica fue un mecanismo esencial que reguló la masa de las estrellas de Población III, un factor que es fundamental para comprender la evolución temprana del universo.

Nuevas vías de investigación

Este estudio no solo clarifica sobre la formación estelar primordial, sino que también abren nuevas y prometedoras vías para comprender otros fenómenos cruciales del universo temprano. La turbulencia supersónica es un mecanismo conocido por amplificar los campos magnéticos en las galaxias modernas.

Gracias a las conclusiones de la investigación, los científicos toman nota de que la turbulencia en el universo temprano podría haber desempeñado un papel vital en la generación y amplificación de los campos magnéticos primitivos. Estos campos, a su vez, habrían influido en la formación de estructuras cósmicas a gran escala, afectando la distribución de la materia y la energía en el cosmos naciente.

Referencias de la noticia

Ke-Jung Chen, et al. "Formation of Supersonic Turbulence in the Primordial Star-forming Cloud". The Astrophysical Journal Letters. 30 de julio de 2025.

Evan Gough. "The Universe's First Stars Unveiled in Turbulent Simulations". Universe Today. 7 de agosto de 2025.