El universo poco después del Big Bang era un lugar químicamente mucho más simple que el actual. Estaba formado principalmente por hidrógeno y helio, mientras que elementos como el carbono, el oxígeno o el silicio todavía tenían que ser fabricados en el interior de las primeras generaciones de estrellas.
Ahora, observaciones realizadas con el telescopio espacial James Webb muestran que ese proceso avanzó sorprendentemente rápido. Un equipo dirigido por investigadores de la Universidad de Arizona ha encontrado señales de elementos pesados alrededor de galaxias existentes cuando el cosmos tenía solo unos cientos de millones de años.
El hallazgo aporta una de las evidencias más tempranas del llamado ciclo bariónico, el intercambio continuo de materia entre las galaxias y el espacio que las rodea.
Oxígeno, carbono y silicio hace más de 13.000 millones de años
Los investigadores utilizaron el espectrógrafo NIRSpec del James Webb para analizar galaxias situadas a desplazamientos al rojo de entre z = 7,2 y z = 9,3. Su luz ha necesitado más de 13.000 millones de años para llegar hasta nosotros.
En tres galaxias suficientemente brillantes, los científicos detectaron firmas espectroscópicas correspondientes a oxígeno, carbono y silicio en diferentes estados de ionización.
El Webb no observó literalmente esos elementos saliendo disparados de las galaxias. Lo que detectó fueron sus huellas en la luz que atravesaba el gas circundante.
El movimiento del gas ofrece la pista decisiva
Las líneas de absorción presentaban desplazamientos de velocidad de aproximadamente 50 a 250 kilómetros por segundo respecto a las propias galaxias.
Ese desplazamiento hacia el azul es compatible con material que se está moviendo hacia el exterior. Los investigadores advierten que también podrían intervenir turbulencias u otros movimientos complejos, por lo que no puede afirmarse que todo ese material esté escapando definitivamente al espacio intergaláctico.
Sin embargo, el conjunto de observaciones favorece la interpretación de gas químicamente enriquecido asociado a flujos de salida.
Las primeras estrellas ya estaban transformando su entorno
Elementos como el carbono, el oxígeno y el silicio no estaban presentes en grandes cantidades inmediatamente después del Big Bang. Tuvieron que ser producidos posteriormente mediante reacciones nucleares dentro de las estrellas.
Cuando algunas de esas estrellas llegaron al final de sus vidas, supernovas y otros procesos devolvieron parte del material enriquecido al espacio.
Ese gas pudo mezclarse después con el medio circundante y participar en la formación de nuevas generaciones de estrellas. Lo sorprendente es comprobar que todo este proceso ya estaba funcionando cuando el universo tenía menos de 800 millones de años.
Un universo joven que ya reciclaba materia
Este mecanismo recibe el nombre de ciclo bariónico.
El gas puede entrar en una galaxia, formar estrellas, enriquecerse químicamente y posteriormente regresar al entorno galáctico impulsado por supernovas, vientos estelares y otros procesos energéticos. Parte de ese material puede acabar volviendo a la galaxia y convertirse nuevamente en combustible para formar estrellas.
Las observaciones del Webb indican que este intercambio ya estaba establecido durante la época de la reionización, mucho antes de lo que estas mediciones directas habían permitido comprobar.
Una pista sobre las primeras estrellas del universo
El hallazgo también tiene implicaciones para la búsqueda de las hipotéticas estrellas de Población III, consideradas las primeras estrellas que existieron. Estas deberían haberse formado con material prácticamente libre de elementos pesados.
Pero si las primeras galaxias comenzaron rápidamente a dispersar carbono, oxígeno y silicio por su entorno, los grandes reservorios de gas completamente prístino podrían haber desaparecido relativamente pronto.
Eso no significa que las estrellas de Población III nunca hayan existido, sino que encontrar ambientes donde todavía pudieran formarse puede ser más difícil de lo esperado.
El estudio se basa por ahora en solo tres galaxias, por lo que todavía no permite asegurar que este comportamiento fuese universal. Aun así, el James Webb acaba de demostrar que, apenas unos cientos de millones de años después del Big Bang, el universo ya había comenzado a fabricar, expulsar y reciclar los elementos que terminarían formando estrellas, planetas y, miles de millones de años después, también la vida.
