Concretan la primera detección de carbono en el Universo primitivo

El telescopio James Webb ha observado la firma química de granos de polvo ricos en carbono en el Universo primitivo: es la primera vez que se detecta este elemento, crucial para el desarrollo de la vida tal como la conocemos, en los primeros 1.000 millones de años después del Big Bang, en el período denominado "Amanecer cósmico".

Un equipo internacional de investigadores utilizó el Telescopio Espacial James Webb (JWST) para observar los confines del cosmos y se llevó una sorpresa: detectaron cantidades significativas de polvo de carbono menos de 1.000 millones de años después del Big Bang, o sea cuando el Universo tenía menos del 10 % de su edad actual. 

Detectan moléculas orgánicas complejas en una galaxia del Universo primitivo

Hasta hoy, se pensaba que esto era imposible: las teorías vigentes indican que el cosmos primitivo era químicamente muy básico, mayormente dominado por hidrógeno y helio. Esto se debe a que los elementos más pesados se forman luego del desarrollo y muerte de estrellas masivas, un proceso que requiere mucho tiempo. 

¿Cómo se formó tan rápidamente el carbono?

En sus núcleos, las estrellas aprisionan átomos y los fusionan hasta conformar elementos más pesados, en el marco de un proceso denominado nucleosíntesis estelar. Estos elementos más pesados que el hidrógeno y el helio, como por ejemplo el carbono, se acumulan en las estrellas hasta que se quedan sin material de fusión y colapsan, arrojando el contenido hacia el espacio circundante. Esto requiere un tiempo que no coincide con el ciclo de vida de las primeras estrellas. 

Sin embargo, las observaciones del equipo liderado por Joris Witstok, de la Universidad de Cambridge, en el Reino Unido, muestran algo diferente. Luego de aprovechar las ventajas del JWST para estudiar el polvo que flotaba durante el Amanecer Cósmico en los inicios del Universo, detectaron polvo rico en carbono en galaxias extremadamente tempranas, solo 800 millones de años después del Big Bang.

Según un artículo publicado en Science Alert, el problema es que estos granos de polvo con abundancia de carbono tardan cientos de millones de años en formarse, como aclarábamos previamente, y las características de las galaxias primitivas sugieren que son demasiado jóvenes para que se concrete la formación de este tipo de elementos. ¿Cómo puede explicarse entonces su detección?

Estrellas supermasivas con vidas cortas

Todo indica que el descubrimiento de grandes cantidades de carbono en múltiples galaxias durante los inicios del cosmos podría ser evidencia de que estos procesos de nucleosíntesis estelar no solo ocurrían en ese momento, sino que eran más comunes en el Universo primitivo que en el período que atraviesa actualmente el cosmos. 

Al mismo tiempo, según indicaron los científicos en un estudio publicada en la revista Nature, el hallazgo también sugiere que las estrellas enormes y extremadamente masivas eran comunes y no una excepción entre la primera generación estelar, explicando por qué no las detectamos en la actualidad. 

Esta característica también es crucial para entender el descubrimiento de carbono en el cosmos primitivo, porque las estrellas más masivas queman sus reservas de combustible con mayor rapidez y habrían estado activas menos tiempo, explotando rápidamente en forma de supernovas que distribuyeron elementos más pesados por el Universo mucho antes de lo pensado hasta hoy.

¿Estrellas Wolf-Rayet?

Además, los granos de polvo ricos en carbono identificados poseen una composición química similar al diamante. "Esto podría ser producido potencialmente en escalas de tiempo cortas por material expulsado de una supernova", indicó Witstok en una nota de prensa. El científico aclaró que el proceso también podría ser posible en el caso de un tipo particular de estrellas, denominadas Wolf-Rayet.

Las enormes y calientes estrellas Wolf-Rayet viven rápido y mueren jóvenes, dando el tiempo suficiente para que el nacimiento y colapso de generaciones de estrellas permita distribuir granos ricos en carbono en el polvo cósmico circundante, en menos de 1.000 millones de años. Incluso, modelos desarrollados previamente sugieren que se podrían formar nanodiamantes en el material expulsado por las supernovas y las estrellas Wolf-Rayet.

Sin embargo, aún es un gran desafío para los científicos explicar completamente estos resultados y ubicarlos en el marco de la comprensión actual sobre la formación temprana de polvo cósmico rico en elementos más pesados. Los investigadores creen que las dudas podrán resolverse con el desarrollo de modelos mejorados y observaciones futuras.

Referencia

Carbonaceous dust grains seen in the first billion years of cosmic time. Joris Witstok et al. Nature (2023). DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-023-06413-w