Una galaxia sin oxígeno y sin precedentes puede estar llena de metralla de estrellas gigantes

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La galaxia formadora de estrellas más pobre en oxígeno jamás encontrada indicios de que las primeras galaxias que surgieron después del nacimiento del universo brillaban con estrellas supermasivas que dejaron grandes agujeros negros.

Estas galaxias son raras ahora porque casi tan pronto como una galaxia inicia la formación de estrellas, las estrellas masivas producen grandes cantidades de oxígeno, que es el elemento más abundante en el cosmos después del hidrógeno y el helio. Los astrónomos valoran las pocas galaxias de este tipo que se encuentran cerca de casa porque ofrecen una idea de cómo eran las condiciones en el universo primitivo, antes de que las estrellas produjeran mucho oxígeno (SN: 7/8/19).

La relación oxígeno-hidrógeno de la nueva galaxia, una medida estándar de la abundancia relativa de oxígeno en el cosmos, es muy por debajo del 2 por ciento de los rayos solares, los investigadores informan en un artículo que aparecerá en el Diario astrofísico y publicado en línea el 22 de marzo en arXiv.org.

“Es bastante difícil recoger un objeto tan raro”, dice el astrofísico Takashi Kojima, quien, junto con sus colegas, hizo el descubrimiento mientras estaba en la Universidad de Tokio.

Nombrada HSC J1631 + 4426, la galaxia récord, encontrada usando el Telescopio Subaru en Hawai, está a 430 millones de años luz de la Tierra en la constelación de Hércules. La galaxia es una enana, con muchas menos estrellas para crear oxígeno que la Vía Láctea. Esas relativamente pocas estrellas le han dado al enano una pizca de oxígeno: un átomo de oxígeno por cada 126.000 átomos de hidrógeno. Eso es solo del 1,2 al 1,6 por ciento del nivel de oxígeno en el sol.

«Cualquier galaxia nueva es buena», dice Trinh Thuan, astrónomo de la Universidad de Virginia en Charlottesville, que ayudó a encontrar el campeón anterior hace cuatro años. «Estamos contando el número de [very oxygen-poor galaxies] en la palma de nuestra mano «. La relación oxígeno-hidrógeno de la nueva galaxia es 83 por ciento de la del poseedor del récord anterior, J0811 + 4730, que se encuentra a 620 millones de años luz de distancia en la constelación Lynx.

galaxia I Zwicky 18
Una galaxia recién descubierta tiene solo aproximadamente la mitad de la proporción de oxígeno a hidrógeno de I Zwicky 18 (en la foto), que una vez tuvo el récord de la galaxia de formación de estrellas más pobre en oxígeno conocida.NASA, ESA, A. Aloisi / Instituto Científico del Telescopio Espacial y Agencia Espacial Europea.

En HSC J1631 + 4426, Kojima y sus colegas también encuentran extrañas abundancias de otro elemento químico: el hierro. Si bien la cantidad total de hierro en la galaxia es baja, «descubrimos que la proporción de abundancia de hierro a oxígeno es sorprendentemente alta», dice.

El mismo patrón también aparece en la galaxia pobre en oxígeno de Lynx. Por el contrario, las estrellas antiguas de la Vía Láctea suelen tener poco hierro en relación con el oxígeno. Eso es porque las estrellas recién nacidas obtienen la mayor parte de su hierro de las explosiones de estrellas longevas. Esas explosiones no habían ocurrido cuando se formaron las estrellas más antiguas de la Vía Láctea. Pero en las dos galaxias casi prístinas, la cantidad de hierro en relación con el oxígeno es tan alta como la del sol, que adquirió grandes cantidades de ambos elementos de generaciones anteriores de estrellas.

«Este es un patrón muy inusual, y no es obvio cómo explicarlo», dice Volker Bromm, astrofísico de la Universidad de Texas en Austin que no participó en el descubrimiento.

Justo antes de que Kojima obtuviera su Ph.D. en 2020, encontró una posible explicación: las estrellas de gran masa en densos cúmulos estelares se fusionaron para formar goliats estelares más de 300 veces más masivos que el sol. Estas superestrellas luego explotaron y rociaron sus hogares galácticos con hierro y oxígeno, lo que condujo a altas proporciones de hierro a oxígeno en las dos galaxias primitivas, así como a una fuente del poco oxígeno que existe allí.

No se conoce la existencia de estrellas de esta masa en la Vía Láctea moderna. Pero Kojima dice que su presencia en las dos galaxias productoras de estrellas más pobres en oxígeno sugiere que las galaxias primordiales también las tenían.

Cuando las superestrellas murieron, deberían haber dejado agujeros negros de masa intermedia, que son más de 100 veces más masivos que el sol (SN: 2/9/20). Eso es aproximadamente 10 veces más masivo que los agujeros negros típicos, que pueden formarse cuando mueren las estrellas brillantes.

El equipo de Kojima ve evidencia de estos grandes agujeros negros en la galaxia recién descubierta. El gas que gira alrededor de agujeros negros tan grandes debería calentarse tanto que emite fotones de alta energía o partículas de luz. Debido a su alta energía, estos fotones arrancarían electrones incluso de los átomos de helio, que se adhieren firmemente a sus electrones, y convertirían los átomos en iones con carga positiva. Efectivamente, la galaxia de Hércules emite una longitud de onda de luz azul que proviene precisamente de esos iones de helio.

La galaxia que batió récords es «una emocionante vista previa de lo que vendrá», dice Bromm. En los próximos años, dice, se abrirán enormes telescopios que encontrarán galaxias aún más extremas (SN: 10/1/20). «Entonces tendremos una forma maravillosamente complementaria de aprender sobre el universo primitivo».

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