Primeras estrellascómo se encendió la primera luz del universo
Las primeras estrellas iluminaron el universo oscuro. Cómo nacieron, las pistas de los agujeros negros y la materia oscura, y las observaciones clave detrás.
En el Calendario Cósmico: Empieza el 4 ene150 millones – 1000 millones de añosVer el calendario completo
La primera luz del universo vino de la primera estrella, encendida unos 150 millones de años después del Big Bang: un gigante de cientos de masas solares. Antes, los halos de materia oscura ya se habían formado hacia los 100 millones de años, y sus pozos de gravedad empezaron a reunir gas. Cuando se encendieron estos gigantes, su luz reionizó el hidrógeno neutro y, al morir, dispersaron por primera vez elementos pesados por el espacio.
Esta era va de los 150 millones a los 1000 millones de años, y en ella nacieron las estrellas y aparecieron los agujeros negros y los cuásares.
Seis eventos
- 100 millones de años · Se forman los halos de materia oscura: Los pozos de gravedad empiezan a reunir gas. Imagina un cuenco gigante invisible: el gas resbala por sus paredes y se acumula en el fondo.
- 150 millones de años · Primera estrella: Se enciende un gigante de cientos de masas solares.
- 200 millones de años · Reionización cósmica: La luz de las estrellas vuelve a ionizar el hidrógeno neutro.
- 200 millones de años · Primera supernova: Se dispersan por primera vez elementos pesados por el espacio. Las estrellas hacen más que brillar: son los primeros «hornos de alquimia».
- 300 millones de años · Primer agujero negro: El núcleo de una estrella gigante colapsa en un agujero negro.
- 700 millones de años · Cuásares: Agujeros negros supermasivos brillan al tragar materia.
Estos pasos dependen unos de otros. Sin pozos de gravedad, el gas no puede reunirse. Sin estrellas, no hay supernovas ni agujeros negros posteriores. Sin agujeros negros, no hay cuásares. Los años son aproximados; en la realidad estos procesos ocurrieron de forma continua y se solaparon.
Los pozos de gravedad invisibles: la materia oscura
La primera pista vino de los cúmulos de galaxias. Las galaxias del Cúmulo de Coma se mueven demasiado rápido, así que alguien propuso la «materia oscura», una idea que se descuidó durante décadas (Zwicky, Helvetica Physica Acta, 1933). La evidencia volvió en 1970: las afueras de la galaxia de Andrómeda giran demasiado rápido, y una gran cantidad de materia invisible debe aportar la gravedad. La materia oscura dejó de ser una simple conjetura (Rubin y Ford, The Astrophysical Journal, 1970).
Una prueba más directa llegó cuando chocaron dos cúmulos de galaxias: el gas se quedó en el centro mientras el centro de gravedad acababa a ambos lados, así que la materia oscura salió «disparada». El título del artículo la llama una «prueba empírica directa» de la existencia de la materia oscura (Clowe et al., The Astrophysical Journal Letters, 2006).
Por qué brillan las estrellas y cómo mueren
¿Cómo puede el Sol arder miles de millones de años? Las estrellas brillan por fusión nuclear, un enigma resuelto en un artículo titulado «Energy production in stars» (Bethe, Physical Review, 1939). El destino de una estrella tras su muerte también tiene un límite: una enana blanca tiene una masa máxima de unas 1,4 masas solares, y más allá de ella la estrella sigue colapsando por fuerza (Chandrasekhar, The Astrophysical Journal, 1931).
Agujeros negros: de la evidencia indirecta a una sombra
Seguir durante más de diez años las órbitas de estrellas cercanas al centro galáctico mostró que allí se esconde un agujero negro de unos 4 millones de masas solares. El trabajo ganó el Nobel de 2020 (Ghez et al., The Astrophysical Journal, 2008). Dos agujeros negros se fusionaron hace 1300 millones de años, y los humanos por fin oyeron las ondas del espacio-tiempo, lo que confirmó la predicción de Einstein de un siglo antes (Abbott et al., LIGO y Virgo, Physical Review Letters, 2016). Radiotelescopios de todo el mundo formaron un «telescopio virtual» del tamaño de la Tierra y captaron la sombra del agujero negro del centro de la galaxia M87 (Colaboración Event Horizon Telescope, The Astrophysical Journal Letters, 2019).
Un enigma todavía sin resolver
Cuando el universo tenía menos de 700 millones de años, ya existía un agujero negro de 800 millones de masas solares. ¿Cómo creció tan rápido? Sigue siendo un misterio. El título del artículo también especifica dos condiciones: un corrimiento al rojo de 7,5 y un «universo significativamente neutro» (Bañados et al., Nature, 2018).
¿Quieres leer los originales? Busca estos títulos
- Zwicky (1933): Die Rotverschiebung von extragalaktischen Nebeln, aproximadamente «El corrimiento al rojo de las nebulosas extragalácticas»
- Rubin y Ford (1970): Rotation of the Andromeda Nebula from a spectroscopic survey of emission regions
- Clowe et al. (2006): A direct empirical proof of the existence of dark matter
- Chandrasekhar (1931): The maximum mass of ideal white dwarfs
- Bethe (1939): Energy production in stars
- Ghez et al. (2008): Measuring distance and properties of the Milky Way's central supermassive black hole with stellar orbits
- Abbott et al. (2016): Observation of gravitational waves from a binary black hole merger
- Event Horizon Telescope (2019): First M87 Event Horizon Telescope Results. I. The shadow of the supermassive black hole
- Bañados et al. (2018): An 800-million-solar-mass black hole in a significantly neutral Universe at a redshift of 7.5
Cómo lo muestra el juego
En el juego, el rango de tiempo de la era Primeras estrellas es «150 millones – 1000 millones de años» y su recurso son las estrellas. Los generadores son Halos de materia oscura, Colapso de gas, Protoestrellas y Gigantes de Población III, más o menos en el orden del proceso «del pozo de gravedad a la estrella» descrito arriba.
Base real
Se forman halos de materia oscura (100 millones de años): los pozos de gravedad empiezan a reunir gas
Primeras estrellas (150 millones de años): se encienden gigantes de cientos de veces la masa del Sol
Reionización cósmica (200 millones de años): la luz de las estrellas vuelve a ionizar el hidrógeno neutro
Primeras supernovas (200 millones de años): los elementos pesados se esparcen por primera vez en el espacio
Primeros agujeros negros (300 millones de años): los núcleos de estrellas gigantes colapsan en agujeros negros
Cuásares (700 millones de años): los agujeros negros supermasivos devoran materia y brillan
Investigación relacionada
Estos estudios tienen relación con el tema, pero no son una prueba directa de esta página.
Qué da energía a las estrellas: Bethe calculó que las estrellas brillan por fusión nuclear y resolvió el enigma de cómo el Sol puede arder durante miles de millones de años.
Fuente:Bethe, Physical Review 1939, "Energy production in stars"
Masa invisible: Los bordes de la galaxia de Andrómeda giran demasiado rápido, así que una gran cantidad de materia invisible tiene que aportar la gravedad. La materia oscura ya no era solo una conjetura.
Fuente:Rubin & Ford, The Astrophysical Journal 1970, "Rotation of the Andromeda Nebula from a spectroscopic survey of emission regions"
Primera propuesta de materia oscura: Zwicky descubrió que las galaxias del cúmulo de Coma se movían demasiado rápido y propuso que existe «materia oscura». La idea se ignoró durante décadas.
Fuente:Zwicky, Helvetica Physica Acta 1933, "Die Rotverschiebung von extragalaktischen Nebeln"
Cúmulo Bala: Tras chocar dos cúmulos de galaxias, el gas se quedó en el centro mientras los centros de gravedad terminaron a cada lado. La materia oscura había sido «lanzada» hacia afuera.
Fuente:Clowe et al., The Astrophysical Journal Letters 2006, "A direct empirical proof of the existence of dark matter"
Sombra de un agujero negro: Radiotelescopios de todo el mundo formaron un «telescopio virtual» del tamaño de la Tierra y fotografiaron la sombra del agujero negro del centro de M87.
Fuente:Event Horizon Telescope Collaboration, The Astrophysical Journal Letters 2019, "First M87 Event Horizon Telescope Results. I. The shadow of the supermassive black hole"
Ondas gravitacionales: Dos agujeros negros se fusionaron hace 1300 millones de años, y las ondulaciones del espacio-tiempo por fin las oyeron los humanos, con lo que se confirmó la predicción de Einstein de hacía un siglo.
Fuente:Abbott et al. (LIGO & Virgo), Physical Review Letters 2016, "Observation of gravitational waves from a binary black hole merger"
El límite de Chandrasekhar: Una enana blanca tiene una masa máxima, de unas 1,4 masas solares. Si la supera, la estrella está condenada a seguir colapsando.
Fuente:Chandrasekhar, The Astrophysical Journal 1931, "The maximum mass of ideal white dwarfs"
Agujero negro gigante del universo temprano: Cuando el universo tenía menos de 700 millones de años ya había un agujero negro de 800 millones de masas solares. ¿Cómo creció tan rápido? Sigue siendo un misterio.
Fuente:Bañados et al., Nature 2018, "An 800-million-solar-mass black hole in a significantly neutral Universe at a redshift of 7.5"
El centro galáctico: Tras seguir durante más de una década las estrellas cercanas al centro galáctico, se probó que ahí se esconde un agujero negro de unos 4 millones de masas solares. Premio Nobel 2020.
Fuente:Ghez et al., The Astrophysical Journal 2008, "Measuring distance and properties of the Milky Way's central supermassive black hole with stellar orbits"
Proyectos de código abierto relacionados
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