Tu sonrisa y las estrellas: descubrimos el origen del flúor en las primeras galaxias

LMire los ingredientes en un tubo de pasta de dientes y probablemente leerá algo como “contiene fluoruro de sodio”. El flúor, como probablemente sepa, es importante para la salud de los dientes. Fortalece el esmalte, la capa protectora dura alrededor de un diente y, por lo tanto, ayuda a prevenir las caries.

Es posible que no piense demasiado en la pasta de dientes. Pero como todas las cosas en la Tierra, desde lo majestuoso hasta lo mundano, el flúor, y la historia de una sonrisa, tiene un origen cósmico. Ahora, mis colegas y yo hemos publicado un artículo en Astronomía de la naturaleza que arroja algo de luz sobre ello.

Prácticamente todos los elementos naturales se formaron hace mucho tiempo en la historia del universo. El hidrógeno es el elemento más antiguo: se formó muy poco después del Big Bang, hace unos 14 mil millones de años. A los pocos minutos del Big Bang, los elementos ligeros helio, deuterio y litio también se formaron en un proceso llamado Nucleosíntesis del Big Bang. Desde entonces, casi todos los demás elementos se han forjado en procesos asociados con la vida y muerte de estrellas. Pero esas estrellas no siempre estuvieron presentes.

Todavía no sabemos exactamente cuándo se encendieron las primeras estrellas en el universo, pero probablemente no sucedió durante aproximadamente 100 millones de años después del Big Bang. Antes de esto, el universo estaba lleno de una niebla de hidrógeno, mezclada con la misteriosa sustancia invisible que los astrónomos llaman materia oscura. Esta niebla no era suave, sino ondulada, algo más densa en algunos lugares. Fueron estas regiones las que comenzaron a contraerse, o “colapsar”, debido a la gravedad, para formar las primeras galaxias. Donde el gas se volvió lo suficientemente denso, las estrellas se encendieron e iluminaron el universo.

Los siguientes miles de millones de años fueron una época de rápido crecimiento: la tasa de formación de estrellas en el universo aumentó bruscamente hasta alcanzar un pico, hace entre ocho y diez mil millones de años. Desde ese “mediodía cósmico”, la tasa general de formación de estrellas en el universo ha estado en declive. Es por eso que los astrónomos están tan interesados ​​en las primeras fases de la historia del cosmos: lo que sucedió luego dio forma a lo que vemos a nuestro alrededor hoy.

Si bien tenemos mucha información sobre cómo el crecimiento de las galaxias “aumentó” en términos de su formación estelar, tenemos relativamente poca información sobre su evolución química en los primeros tiempos. Esto es importante porque, a medida que las estrellas viven y mueren, los elementos que producen se dispersan por toda la galaxia y más allá. Muchos años después, algunos de esos elementos pueden formar nuevos planetas como el nuestro.

Evolucion rapida

Observamos una galaxia distante llamada NGP-190387 con la Atacama Large Millimeter / submillimetre Array (Alma) – un telescopio que detecta luz con una longitud de onda de alrededor de un milímetro. Esto nos permite ver la luz emitida por el polvo y el gas fríos en galaxias distantes. Los datos revelaron algo inesperado: una caída de la luz en una longitud de onda de exactamente 1,32 milímetros. Esto corresponde exactamente a la longitud de onda a la que la molécula de fluoruro de hidrógeno (HF), que comprende un átomo de hidrógeno y un átomo de flúor, absorbe la luz (teniendo en cuenta un cambio en la longitud de onda que ocurre debido a la expansión del universo). El déficit de luz implica la presencia de nubes de gas fluoruro de hidrógeno en la galaxia. Esta luz ha tardado más de 12 mil millones de años en llegar hasta nosotros, y vemos la galaxia como era cuando el universo tenía 1.400 millones de años.

Esto es emocionante, porque proporciona información sobre cómo las galaxias se enriquecieron por primera vez con elementos químicos poco después de su formación. Podemos ver que incluso en esta época temprana, NGP-190387 tenía una gran abundancia de flúor. Aunque hemos observado otros elementos en galaxias distantes, como carbono, nitrógeno y oxígeno, esta es la primera vez que se detecta flúor en una galaxia en formación de estrellas a tal distancia. Cuanto mayor sea la variedad de elementos que podamos observar en las primeras galaxias, mejor será nuestra comprensión del proceso de enriquecimiento químico en ese momento.

Sabemos que el flúor se puede producir de diferentes maneras: en explosiones estelares llamadas supernovas y en ciertas “Rama gigante asintótica” estrellas, que son estrellas supergigantes rojas que se acercan al final de su vida, que han quemado la mayor parte del hidrógeno y helio en sus núcleos y ahora han aumentado de tamaño.

Los modelos de cómo se forman los elementos en las estrellas y en las supernovas pueden decirnos cuánto flúor debemos esperar de estas fuentes. Y descubrimos que la abundancia de flúor era demasiado alta en NGP-190387 para ser explicada por supernovas y estrellas gigantes asintóticas de ramas por sí solas. Se necesitaba una fuente adicional, y este es probablemente otro tipo de estrella llamada Wolf-Rayet. Las estrellas Wolf-Rayet son bastante raras: solo hay unos pocos cientos catalogadas en la Vía Láctea, por ejemplo. Pero son extremadamente distintos.

Las estrellas Wolf-Rayet son una fase en el ciclo de vida de estrellas muy masivas, con más de 10 veces la masa de nuestro Sol. Acercándose al final de su corta vida, estas estrellas queman helio en sus núcleos y son millones de veces más luminosas que el Sol. Inusualmente, las estrellas Wolf-Rayet han perdido su envoltura de hidrógeno a través de vientos poderosos, dejando expuesto el núcleo de helio. Eventualmente explotarán en dramáticas explosiones de supernovas de colapso del núcleo. Cuando agregamos la cantidad de flúor que se esperaba de las estrellas Wolf-Rayet a nuestro modelo, finalmente pudimos explicar la caída de la luz de NGP-190387.

Esto se suma a un creciente cuerpo de evidencia que muestra que el crecimiento de las galaxias fue sorprendentemente acelerado en el universo temprano: un frenesí de formación de estrellas y enriquecimiento químico. Esos procesos sientan las bases del universo que vemos a nuestro alrededor hoy, y este trabajo proporciona una nueva visión de la astrofísica detallada en juego, hace más de 12 mil millones de años.

Pero quizás la principal conclusión es que muestra que la historia de tu sonrisa es una historia tan antigua como el tiempo.

James Geach es profesor de astrofísica e investigador de la Royal Society University en la Universidad de Hertfordshire. Este artículo apareció por primera vez en La conversación.