Cómo MEGATRON simula el nacimiento de las primeras estrellas y galaxias

Una galaxia en formación, desde el gas primordial

Para estudiar cómo se encendió el universo, el proyecto MEGATRON simula una región que terminará formando una galaxia con una masa parecida a la de la Vía Láctea. Los modelos parten de gas primordial sin metales —en astronomía, ese término abarca los elementos más pesados que el helio— y siguen la aparición de las primeras estrellas, llamadas de Población III, y el crecimiento de sus galaxias precursoras. 58

La clave es que el proyecto no trata por separado la luz, la química y el movimiento del gas. Sus simulaciones combinan hidrodinámica, transporte de radiación de distintas frecuencias y una red de química fuera del equilibrio que sigue moléculas, elementos primordiales y metales. Así pueden calcular tanto la evolución del gas como la luz que emitirían las galaxias tempranas. 5

Radiación, química y supernovas

La radiación de las estrellas calienta e ioniza el gas; las moléculas primordiales y, más adelante, los elementos pesados modifican cuánto puede enfriarse. Cuando las estrellas mueren, las supernovas expulsan elementos recién producidos y enriquecen el entorno. El efecto combinado de estos procesos ayuda a determinar dónde puede formarse la siguiente generación de estrellas y qué aspecto tendrá su galaxia.

En las simulaciones, el gas de las galaxias tempranas es más denso y menos enriquecido, y está expuesto a campos de radiación más intensos que el de galaxias cercanas de masa comparable. Esas condiciones concuerdan con interpretaciones de observaciones del telescopio espacial James Webb (JWST). Los modelos también reproducen una variedad de espectros de galaxias de alto corrimiento al rojo; sin embargo, que un espectro coincida con las observaciones no basta, por sí solo, para identificar qué mecanismo de retroalimentación lo produjo. 13

Una posible huella de las primeras estrellas

Uno de los estudios iniciales se centra en galaxias enanas: sistemas pequeños que pueden conservar pistas de su historia química. Sus resultados indican que el enriquecimiento causado por las primeras estrellas podría generar una meseta en la abundancia media de hierro de las galaxias enanas más pequeñas, en lugar de una disminución continua a medida que baja la masa de la galaxia. En los modelos, esa meseta se sitúa alrededor de [Fe/H] ≈ −2,5 en sistemas de baja masa estelar. 134

La idea ofrece una posible huella de las primeras supernovas, pero no constituye una medición definitiva de cómo eran las primeras estrellas ni de las explosiones que produjeron. 7

Del JWST a las estrellas antiguas de la Vía Láctea

Las observaciones del JWST muestran galaxias jóvenes tal como eran en el universo temprano. En cambio, las estrellas muy antiguas y pobres en metales que sobreviven en la Vía Láctea y sus alrededores conservan información química heredada de generaciones estelares anteriores. MEGATRON permite comparar ambas perspectivas: la luz predicha por los modelos con los espectros de galaxias lejanas, y las abundancias de elementos simuladas con las de estrellas antiguas. 87

Qué se ha logrado y qué falta comprobar

Los primeros trabajos del proyecto han presentado una serie de simulaciones y análisis sobre los espectros de galaxias de alto corrimiento al rojo, las condiciones del gas y la retroalimentación, los entornos de las estrellas de Población III y el hierro de las galaxias enanas. 81367

Las futuras simulaciones de mayor resolución deberían representar con más detalle el gas donde nacen las primeras estrellas. Eso permitirá poner a prueba distintas hipótesis sobre sus masas, la radiación que emitían y los elementos expulsados por sus supernovas, contrastándolas tanto con los espectros del JWST como con la química de las estrellas antiguas. La identificación de cuáles fueron exactamente las primeras estrellas sigue siendo una pregunta abierta. 81367